DE102011089359A1

DE102011089359A1 - Method for operating electrochemical exhaust gas sensor of sensor device for detecting gas component in internal combustion engine, involves interim operating sensor during heating of sensor, while detection of gas component is carried out

Info

Publication number: DE102011089359A1
Application number: DE201110089359
Authority: DE
Inventors: Thomas Zein; Cyril Verdier; Benjamin Sillmann; Richard Holberg
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-12-21
Filing date: 2011-12-21
Publication date: 2013-06-27

Abstract

The method involves heating a sensor on an operating temperature (T-b) and subsequently detecting the gas component in an operating mode. An interim operating of the sensor is provided during the heating of the sensor, while the detection of the gas component in another operating mode is carried out. The sensor is heated with reduced heating. The sensor has an electrochemical cell, where the former operating mode provides the detection of limiting current (I-g) of the electrochemical cell.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Sensors, insbesondere eines elektrochemischen Abgassensors für eine Brennkraftmaschine, das ein Aufheizen des Sensors auf eine Betriebstemperatur vorsieht.The invention relates to a method for operating a sensor, in particular an electrochemical exhaust gas sensor for an internal combustion engine, which provides for heating the sensor to an operating temperature.

Aus der DE 100 31 474 A1 ist bereits ein derartiges Verfahren bekannt und sieht vor, dass bei einer Breitband-Lambdasonde eine Beheizung zu einem definierten Zeitpunkt gestartet wird und Ausgangssignale des Sensors sobald verfügbar ausgewertet werden. From the DE 100 31 474 A1 already such a method is known and provides that in a broadband lambda probe heating is started at a defined time and output signals of the sensor are evaluated as soon as available.

Bei der Verwendung solcher herkömmlicher Betriebsstrategien tritt folgendes Problem auf: Nach dem Start einer Brennkraftmaschine ist einerseits eine möglichst rasche Betriebsbereitschaft der der Brennkraftmaschine zugeordneten Abgassensoren erwünscht, um schädliche Emissionen der Brennkraftmaschine wie Stickoxide, Russ, Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffe möglichst früh reduziert werden kann. Hierfür ist es im Allgemeinen erforderlich, die Sensoren möglichst früh nach dem Start der Brennkraftmaschine zu beheizen und die Heizleistung möglichst hoch zu wählen, damit die Sensoren möglichst bald ihre Betriebstemperatur von beispielsweise 780°C erreichen. When using such conventional operating strategies, the following problem arises: After the start of an internal combustion engine, on the one hand a rapid operational readiness of the internal combustion engine associated exhaust gas sensors is desired to harmful emissions of the internal combustion engine such as nitrogen oxides, soot, carbon monoxide and hydrocarbons can be reduced as early as possible. For this purpose, it is generally necessary to heat the sensors as soon as possible after the start of the internal combustion engine and to select the heating power as high as possible so that the sensors reach their operating temperature of, for example, 780 ° C. as soon as possible.

Im Abgastrakt von Brennkraftmaschinen befindet sich nach längerem Stillstand jedoch häufig kondensiertes Wasser, beispielsweise in Form von Tropfen oder Schwallwasser, und es besteht die Gefahr, dass in dieser Phase zu früh zu stark aufgeheizte Sensoren mit dem Wasser in Kontakt kommen, sich schlagartig lokal abkühlen und durch den somit resultierenden thermischen Schock beschädigt werden könnten. Um eine Beschädigung der Sensoren durch thermischen Schock möglichst auszuschließen und um eine hohe Betriebssicherheit zu erreichen, ist daher eine möglichst späte und langsame Beheizung der Sensoren wünschenswert.In the exhaust tract of internal combustion engines, however, condensed water, for example in the form of drops or splashed water, is often present after a long standstill, and there is the danger that sensors that are too hot too early in this phase will come into contact with the water and then cool down abruptly could be damaged by the resulting thermal shock. To avoid damage to the sensors due to thermal shock as possible and to achieve a high level of reliability, therefore, a possible late and slow heating of the sensors is desirable.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, den Zielkonflikt zwischen früher Messbereitschaft des Sensors und hoher Betriebssicherheit des Sensors zu überwinden und ein Verfahren anzugeben, mit dem ein Sensor rasch in einen betriebsbereiten Zustand versetzt werden kann, gleichzeitig aber eine potenzielle Beschädigung des Sensors durch flüssiges Wasser sicher vermieden werden kann.The invention is therefore based on the object to overcome the conflict between the early measurement readiness of the sensor and high reliability of the sensor and to provide a method by which a sensor can be quickly put into an operational state, but at the same time a potential damage to the sensor by liquid water can be safely avoided.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruch 1. This object is achieved by a method having the features of independent claim 1.

Erfindungsgemäß handelt es sich um ein Verfahren zum Betreiben eines Sensors zum Nachweis einer Gaskomponente, wie beispielsweise Sauerstoff, Stickoxid, Ammoniak oder Kohlenwasserstoffen. Es kann sich dabei beispielsweise um einen Sensor handeln, der auf einem elektrochemischen Prinzip beruht, insbesondere um einen keramischen Sensor, aber auch andere Sensortypen sind grundsätzlich von der Erfindung betroffen. Insbesondere kann es sich erfindungsgemäß um ein Verfahren zum Betreiben einer Breitband-Lambdasonde handeln.According to the invention, it is a method for operating a sensor for detecting a gas component, such as oxygen, nitrogen oxide, ammonia or hydrocarbons. This may be, for example, a sensor based on an electrochemical principle, in particular a ceramic sensor, but also other sensor types are fundamentally affected by the invention. In particular, according to the invention, it may be a method for operating a broadband lambda probe.

Erfindungsgemäß umfasst das Verfahren das Aufheizen des Sensors auf eine Betriebstemperatur. Der Begriff des Aufheizens auf eine Betriebstemperatur ist dabei grundsätzlich in einem weiten Sinne zu verstehen, dahingehend, dass ausgehend von einer Temperatur des Sensors, die unterhalb der Betriebstemperatur liegt, dem Sensor von außen Energie, beispielsweise in Form von Wärme oder Strahlung oder in elektrischer Form, zugeführt wird, sodass der Sensor schließlich die Betriebstemperatur aufweist, sich insbesondere auf diese erwärmt. Wenngleich das Aufheizen auf eine Betriebstemperatur insbesondere bedeuten kann, dass die Temperatur des Sensor während des Aufheizens im mathematischen Sinn monoton oder streng monoton zunimmt, so sind doch grundsätzlich auch andere Aufheizvorgänge mit anderen Temperaturverläufen, z.B. mit zeitlich lokalen Temperaturmaxima und/oder Phasen konstanter Temperatur von der Erfindung umfasst. Das Aufheizen des Sensors auf die Betriebstemperatur ist insbesondere der Übergang des Sensors von einer Temperatur des Sensors, die unterhalb der Betriebstemperatur liegt, auf die Betriebstemperatur. According to the invention, the method comprises heating the sensor to an operating temperature. The term of heating to an operating temperature is basically to be understood in a broad sense, to the effect that, starting from a temperature of the sensor, which is below the operating temperature, the sensor from the outside energy, for example in the form of heat or radiation or in electrical form is supplied, so that the sensor finally has the operating temperature, in particular heated on this. Although heating to an operating temperature may in particular mean that the temperature of the sensor increases monotonically or strictly monotonically in the mathematical sense during heating, in principle other heating processes with different temperature characteristics, e.g. with temporally local temperature maxima and / or constant temperature phases of the invention. The heating of the sensor to the operating temperature is in particular the transition of the sensor from a temperature of the sensor, which is below the operating temperature, to the operating temperature.

Unter der Temperatur des Sensors ist im Fall von räumlichen Inhomogenitäten der Temperatur im Sensor vorliegend insbesondere die Temperatur der Teile des Sensors zu verstehen, die an der Entstehung des Sensorsignals in einem engen Sinn beteiligt sind, beispielsweise die Temperatur der elektrochemischen Zelle/Zellen bei einem elektrochemischen Sensor. In the case of spatial inhomogeneities of the temperature in the sensor, the temperature of the sensor in particular is understood to mean the temperature of the parts of the sensor which are involved in the formation of the sensor signal in a narrow sense, for example the temperature of the electrochemical cell / cells in the case of an electrochemical Sensor.

Wenngleich der Startpunkt des Aufheizens insbesondere die Umgebungstemperatur des Sensors sein kann, ist dies nicht zwingend notwendig, denkbar ist auch, dass die Temperatur des Sensors sich zu Beginn des Aufheizens von der seiner Umgebung unterscheidet, beispielsweise darunter oder darüber liegt.Although the starting point of the heating may be in particular the ambient temperature of the sensor, this is not absolutely necessary, it is also conceivable that the temperature of the sensor at the beginning of heating differs from that of its surroundings, for example below or above it.

Wenngleich die Art und Weise, in der dem Sensor zum Aufheizen Energie zugeführt wird, nicht grundsätzlich eingeschränkt ist, kann der Sensor insbesondere eine Heizvorrichtung umfassen, die von außen elektrisch kontaktierbar ist, sodass der Sensor durch seine Heizvorrichtung beheizbar ist. Auch die Beheizung des Sensors durch entsprechende nicht vom Sensor umfasste Heizvorrichtungen, die mit dem Sensor in thermischem Kontakt stehen, ist natürlich möglich.Although the manner in which energy is supplied to the sensor for heating is not fundamentally limited, the sensor may in particular comprise a heating device which is electrically contactable from the outside, so that the sensor can be heated by its heating device. Also, the heating of the sensor by appropriate not Heater devices included in the sensor, which are in thermal contact with the sensor, are of course possible.

Die Betriebstemperatur des Sensors hängt von dessen Bauart ab und ist durch die Erfindung nicht grundsätzlich festgelegt. Für auf Zirkonoxid als Ionenleiter basierende elektrochemische Sensoren, insbesondere für solche Sauerstoff-, Stickoxid-, Ammoniak- oder Kohlenwasserstoffsensoren, liegt die Betriebstemperatur zum Beispiel im Temperaturbereich von 650°C bis 900°C, bevorzugt in einem Temperaturbereich von 740°C bis 850°C. Für andere Sensortypen zum Beispiel Chem-FET-Sensoren kommen auch andere Temperaturbereiche für die Betriebstemperatur in Frage.The operating temperature of the sensor depends on its design and is not fundamentally determined by the invention. For zirconia based ionic conductor electrochemical sensors, in particular for such oxygen, nitrogen oxide, ammonia or hydrocarbon sensors, the operating temperature is for example in the temperature range of 650 ° C to 900 ° C, preferably in a temperature range of 740 ° C to 850 ° C. For other sensor types, for example Chem-FET sensors, other temperature ranges for the operating temperature are also possible.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Sensor nach Erreichen der Betriebstemperatur in einer ersten Betriebsart betrieben wird und so ein Nachweis der Gaskomponente erfolgt. Wenngleich es möglich ist, dass die erste Betriebsart bei Erreichen der Betriebstemperatur aktiviert wird, ist auch eine später oder frühere, beispielsweise geringfügig frühere oder geringfügig spätere Aktivierung der ersten Betriebsart grundsätzlich möglich. According to the invention it is provided that the sensor is operated after reaching the operating temperature in a first mode and so a proof of the gas component takes place. Although it is possible that the first mode is activated when the operating temperature is reached, a later or earlier, for example, slightly earlier or slightly later activation of the first mode is basically possible.

Vorteilhafterweise kann die erste Betriebsart, beispielsweise mittels Steuerung oder Regelung, vorsehen, dass die Temperatur des Sensors im Bereich der Betriebstemperatur verbleibt. Hierzu sind ggf. geeignete Mittel zur Erfassung der Sensortemperatur vorgesehen. Advantageously, the first operating mode, for example by means of control or regulation, can provide that the temperature of the sensor remains in the range of the operating temperature. For this purpose, if appropriate, suitable means for detecting the sensor temperature are provided.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass bereits während des Aufheizens des Sensors, also zu einem Zeitpunkt, zu dem die Betriebstemperatur des Sensors noch nicht erreicht ist, ein Interimsbetrieb des Sensors erfolgt, während dem der Nachweis der Gaskomponente in einer zweiten Betriebsart erfolgt, die von der ersten Betriebsart verschieden ist. Während dem Interimsbetrieb wird der Sensor mit einer verminderten Aufheizrate und/oder Heizleistung beheizt.According to the invention, interim operation of the sensor takes place already during the heating of the sensor, that is to say at a time when the operating temperature of the sensor has not yet been reached, during which the detection of the gas component takes place in a second operating mode Operating mode is different. During interim operation, the sensor is heated with a reduced heating rate and / or heating power.

Unter einer Aufheizrate ist dabei die Geschwindigkeit der Änderung der Temperatur T des Sensors zu verstehen, dT/dt, die beispielsweise im Fall konstanter Temperatur den Wert Null annimmt. Unter Heizleistung ist die dem Sensor pro Zeit von außen zugeführte und für die Temperatur des Sensors relevante Energiemenge zu verstehen, beispielsweise die elektrische Anschlussleistung eines elektrischen Heizers.A heating rate is to be understood as meaning the rate of change of the temperature T of the sensor, dT / dt, which assumes the value zero, for example in the case of a constant temperature. Under heating power is the sensor per time supplied externally and relevant for the temperature of the sensor energy amount to understand, for example, the electrical connection performance of an electric heater.

Erfindungsgemäß ist die Aufheizrate und/oder Heizleistung der Beheizung des Sensors während des Interimsbetriebs vermindert. Die Aufheizrate und/oder Heizleistung der Beheizung des Sensors ist also während des Interimsbetriebs insbesondere geringer als vor dem Interimsbetrieb. Die Aufheizrate und/oder Heizleistung der Beheizung des Sensors ist während des Interimsbetriebs insbesondere geringer als nach dem Interimsbetrieb.According to the invention, the heating rate and / or heating power of the heating of the sensor during interim operation is reduced. The heating rate and / or heating power of the heating of the sensor is thus lower during the interim operation, in particular, than before the interim operation. The heating rate and / or heating power of the heating of the sensor is in particular lower during the interim operation than after the interim operation.

Die Größen Aufheizrate und Heizleistung unterliegen einer zumindest teilweise auch sehr raschen Zeitabhängigkeit. Im Sinne der Erfindung sind nun für die Frage, ob eine Aufheizrate oder eine Heizleistung vermindert bzw. erhöht ist oder nicht, jedoch nicht beliebig kurzfristige Schwankungen dieser Größen heranzuziehen, sondern lediglich Schwankungen, die sich nach einer gewissen Mittelungszeit, wie sie beispielsweise eine reale Messung dieser Größen üblicherweise implizieren würde, und/oder Mittelungszeit über eine inverse Regelbandbreite und/oder über eine Signalzykluszeit im Fall einer pulsweitenmodulierten Ansteuerung und/oder eine sonstige derartige für die individuelle Sensoreinrichtung bzw. für die individuelle Ausführung des Verfahrens relevante Systemzeit heranzuziehen. Beispielsweise kann von einer Mittelungszeit von 10ms oder einer Mittelungszeit von 50ms ausgegangen werden oder von einer Mittelungszeit, die zwischen diesen Werten liegt.The sizes of heating rate and heating power are subject to an at least partially very rapid time dependence. For the purposes of the invention are now for the question of whether a heating rate or heating power is reduced or increased or not, however, not arbitrary short-term fluctuations of these sizes, but only fluctuations, which after a certain averaging time, as for example, a real measurement These variables would usually imply and / or use averaging time over an inverse control bandwidth and / or over a signal cycle time in the case of a pulse width modulated drive and / or other such system time relevant to the individual sensor device or to the individual execution of the method. For example, an average time of 10ms or averaging time of 50ms may be used or an average time between these values.

Die Temperatur des Sensors, bei der der Interimsbetrieb erfolgt, hängt von der Bauart des Sensors ab. Für auf Zirkonoxid als Ionenleiter basierende elektrochemische Sensoren, insbesondere für solche Sauerstoff-, Stickoxid-, Ammoniak- oder Kohlenwasserstoffsensoren, liegt diese Temperatur insbesondere im Temperaturbereich von 200°C bis 600°C, bevorzugt ein Temperaturbereich von 300°C bis 400°C und insbesondere 200K bis 600K, bevorzugt 300K bis 400K, unterhalb der Betriebstemperatur des Sensors. Für andere Sensortypen zum Beispiel Chem-FET-Sensoren kommen auch andere Temperaturbereiche und Temperaturdifferenzen in Frage.The temperature of the sensor at which the interim operation takes place depends on the type of sensor. For based on zirconia as ionic conductor electrochemical sensors, in particular for such oxygen, nitrogen oxide, ammonia or hydrocarbon sensors, this temperature is especially in the temperature range of 200 ° C to 600 ° C, preferably a temperature range of 300 ° C to 400 ° C and in particular 200K to 600K, preferably 300K to 400K, below the operating temperature of the sensor. For other sensor types, for example, Chem-FET sensors, other temperature ranges and temperature differences come into question.

Es ist zwar einerseits möglich, dass die Temperatur des Sensors während des Interimsbetriebs ansteigt oder in gewissen Grenzen schwankt, zum Beispiel langsam ansteigt, andererseits ist es in einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass die Temperatur des Sensors während des Interimsbetriebs auf eine konstante oder zumindest annährend konstante Temperatur gesteuert und/oder geregelt wird. Unter einer zumindest annährend konstanten Temperatur kann vorliegend beispielsweise eine Temperatur verstanden werden, die weniger als 20K, bevorzugt weniger als 10K, schwankt und/oder deren Änderungsrate weniger als 20K/s, bevorzugt weniger als 10K/s, beträgt. While it is possible, on the one hand, for the temperature of the sensor to rise or fluctuate within certain limits, for example to increase slowly, on the other hand, in an advantageous embodiment of the invention, the temperature of the sensor during the interim operation is set to a constant or at least approximately constant temperature is controlled and / or regulated. In the present case, an at least approximately constant temperature can be understood as meaning, for example, a temperature which fluctuates less than 20K, preferably less than 10K, and / or whose rate of change is less than 20K / s, preferably less than 10K / s.

Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, den Sensor zwar früh und rasch aufzuheizen, jedoch nicht bis zur Betriebstemperatur früh und rasch aufzuheizen, sondern lediglich bis zu einer unterhalb der Betriebstemperatur liegenden Temperatur, bei der die Gefahr des Auftretens von Thermoschock durch auf den Sensor auftreffendes Wasser geringer ist und bei der der Nachweis der Gaskomponente durch den Sensor in einer zweiten Betriebsart durchführbar ist. Insbesondere handelt es sich um eine Temperatur, die soweit unterhalb der Betriebstemperatur des Sensors liegt, dass der Nachweis der Gaskomponente durch den Sensor in der ersten Betriebsart nicht durchführbar ist. Die zweite Betriebsart kann dabei gleichsam als ein vorläufiger Ersatz für die erste Betriebsart angesehen werden, der solange benutzt wird, wie die für die zweite Betriebsart erforderliche hohe Temperatur ein übermäßiges Risiko eines Thermoschocks in sich birgt. The invention is based on the idea of heating the sensor early and rapidly, but not to heat up early and rapidly to the operating temperature, but only up to a temperature below the operating temperature at which the Danger of the occurrence of thermal shock is lower by incident on the sensor water and in the detection of the gas component by the sensor in a second mode is feasible. In particular, it is a temperature that is so far below the operating temperature of the sensor that the detection of the gas component by the sensor in the first mode is not feasible. The second mode of operation may be considered, as it were, a preliminary replacement for the first mode, used as long as the high temperature required for the second mode involves an excessive risk of thermal shock.

Der Erfindung liegt ferner die Idee zugrunde, im Anschluss an das beschriebene frühe und rasche Erreichen dieser Temperatur, in der der Nachweis der Gaskomponente durch den Sensor in einer zweiten Betriebsart durchführbar ist, in einen Interimsbetrieb überzugehen, in dem ein weiteres Aufheizen solange mit verminderter Rate erfolgt oder in dem die Heizleistung solange vermindert ist oder in dem die Temperatur des Sensors solange zumindest weitgehend konstant bleibt, bis ein weiteres Aufheizen des Sensors bis zur Betriebstemperatur ohne Gefahr möglich ist. Die Dauer dieses Interimsbetriebs ist neben der Bauart des Sensors insbesondere auch von den Randbedingungen des Einsatzes des Sensors abhängig. Insbesondere erfolgt der Interimsbetrieb des Sensors ununterbrochen 0,5 bis 10 Sekunden, bevorzugt 2 bis 5 Sekunden. The invention is further based on the idea, after the described early and rapid reaching this temperature, in which the detection of the gas component by the sensor in a second mode is feasible, to go into an interim mode, in which further heating at a reduced rate takes place or in which the heating power is reduced so long or in which the temperature of the sensor remains at least largely constant until a further heating of the sensor to the operating temperature without danger is possible. The duration of this interim operation depends in addition to the design of the sensor in particular also on the boundary conditions of the use of the sensor. In particular, the interim operation of the sensor takes place continuously for 0.5 to 10 seconds, preferably 2 to 5 seconds.

Der Erfindung liegt überdies insbesondere auch die Idee zugrunde, dieses weitere Aufheizen mit einer Aufheizrate oder einer Heizleistung vorzunehmen, die höher ist als die Aufheizrate oder die Heizleistung während des Interimsbetriebs. Auf diese Weise wird rasch die Betriebstemperatur des Sensors und dessen volle Funktionalität erreicht und der Betrieb des Sensors kann in der ersten Betriebsart fortgesetzt werden.In particular, the invention is also based on the idea of carrying out this further heating with a heating rate or a heating power which is higher than the heating rate or the heating power during the interim operation. In this way, the operating temperature of the sensor and its full functionality is quickly reached and the operation of the sensor can be continued in the first mode.

Insgesamt stellt das erfindungsgemäße Verfahren somit die Möglichkeit zu Verfügung, bereits nach sehr kurzer Zeit den Nachweis der Gaskomponente in einer zweiten Betriebsart vorzunehmen und zusätzlich nach kürzest möglicher Zeit die volle Funktionalität des Sensors in einer ersten Betriebsart zu nutzen, während die Gefahr der Beschädigung des Sensors durch zu frühes und zu starkes Aufheizen des Sensors weitgehend vermieden werden kann. Overall, the method according to the invention thus makes it possible to carry out the detection of the gas component in a second operating mode after a very short time and to use the full functionality of the sensor in a first operating mode after the shortest possible time, while the risk of damaging the sensor can be largely avoided by too early and too strong heating of the sensor.

Aufgrund der relativ konstanten Temperatur des Sensors während des Interimsbetriebs hat das Verfahren überdies den Vorteil, dass der Nachweis der Gaskomponente in der zweiten Betriebsart mit einer vergleichsweise hohen Genauigkeit erfolgen kann und nicht dadurch mit einer Ungenauigkeit behaftet ist, dass die Sensortemperatur in dieser Phase großen Temperaturänderungen unterworfen ist.Moreover, due to the relatively constant temperature of the sensor during the interim operation, the method has the advantage that the detection of the gas component in the second mode can be done with a comparatively high accuracy and is not thereby subject to an inaccuracy that the sensor temperature in this phase large temperature changes is subject.

In einem ersten Ausführungsbeispiel weist der Sensor eine erste elektrochemische Zelle auf, also insbesondere eine Anordnung mit zwei über einen Elektrolyten, insbesondere Festelektrolyten, Ionen leitend miteinander verbundene Elektroden, zwischen denen eine Spannung sowohl anlegbar als auch abgreifbar ist, die also insbesondere eine elektrochemische Zelle aufweist, die mit einer entsprechenden Beschaltung der Sensoreinrichtung wahlweise als Pumpzelle und als Nernstzelle betrieben werden kann. In diesem ersten Ausführungsbeispiel ist die eine der Elektroden einem Referenzgas ausgesetzt, während die andere der Elektroden über einen Diffusionswiderstand der nachzuweisenden Gaskomponente ausgesetzt ist. In a first exemplary embodiment, the sensor has a first electrochemical cell, that is to say in particular an arrangement having two electrodes which are conductively connected to one another via an electrolyte, in particular solid electrolytes, between which a voltage can be both applied and tapped, that is to say in particular has an electrochemical cell , which can be operated with a corresponding wiring of the sensor device either as a pumping cell and as a Nernst cell. In this first embodiment, one of the electrodes is exposed to a reference gas, while the other of the electrodes is exposed via a diffusion resistance of the gas component to be detected.

In diesem ersten Ausführungsbeispiel wird die erste Betriebsart realisiert durch die Messung eines Grenzstroms der ersten elektrochemischen Zelle, während die zweite Betriebsart realisiert wird durch die Messung einer sich an der ersten elektrochemischen Zelle ausbildenden Potentialdifferenz, insbesondere Nernstspannung. In this first exemplary embodiment, the first operating mode is realized by measuring a limiting current of the first electrochemical cell, while the second operating mode is realized by measuring a potential difference, in particular Nernst voltage, that forms at the first electrochemical cell.

Es wird auch unabhängig von einem speziellen Aufheizverhalten und/oder einem speziellen Heizleistungsverlauf ein Verfahren zum Betrieben eines Sensors zum Nachweis einer Gaskomponente, insbesondere eines elektrochemischen Abgassensors für eine Brennkraftmaschine, beispielsweise eines Sauerstoffsensors, vorgeschlagen, wobei das Verfahren das Aufheizen des Sensors auf eine Betriebstemperatur und den anschließenden Nachweis der Gaskomponente in einer ersten Betriebsart, die eine Grenzstrommessung umfasst, vorsieht, wobei zumindest zeitweise während des Aufheizens des Sensors ein Interimsbetrieb des Sensors vorgesehen ist, während dem der Nachweis der Gaskomponente in einer zweiten Betriebsart, die die Messung einer Nernstspannung umfasst, erfolgt, und dadurch gekennzeichnet ist, dass die Grenzstrommessung der ersten Betriebsart und die Nernstspannungsmessung der zweiten Betriebsart mit der jeweils entsprechend beschalteten aber ansonsten derselben ersten elektrochemischen Zelle erfolgt. Insbesondere ist das Verfahren mit einem einzelligen Sensor und einer entsprechenden Sensoreinrichtung ausführbar, die ebenfalls vorliegend vorgeschlagen werden.It is also a method for operating a sensor for detecting a gas component, in particular an electrochemical exhaust gas sensor for an internal combustion engine, for example an oxygen sensor proposed, regardless of a specific heating behavior and / or a specific Heizleistungsverlauf, the method, the heating of the sensor to an operating temperature and the subsequent detection of the gas component in a first operating mode, which comprises a limiting current measurement, wherein at least temporarily during the heating of the sensor an interim operation of the sensor is provided, during which the detection of the gas component in a second mode, which includes the measurement of a Nernst voltage is carried out, and characterized in that the limiting current measurement of the first mode and the Nernstspannungsmessung the second mode with the respectively appropriately wired but otherwise the same first electrochemical cell suc gt. In particular, the method with a single-cell sensor and a corresponding sensor device executable, which are also proposed in the present case.

In einem zweiten Ausführungsbeispiel weist der Sensor eine erste elektrochemische Zelle auf, also insbesondere eine Anordnung mit zwei über einen Elektrolyten, insbesondere Festelektrolyten, Ionen leitend miteinander verbundenen Elektroden, zwischen denen eine Spannung anlegbar ist, also eine elektrochemische Pumpzelle. In diesem zweiten Ausführungsbeispiel weist der Sensor ferner eine zweite elektrochemische Zelle auf, also insbesondere eine Anordnung mit zwei über einen Elektrolyten, insbesondere Festelektrolyten, Ionen leitend miteinander verbundene Elektroden, zwischen denen eine Spannung abgreifbar ist, also eine elektrochemische Nernstzelle.In a second exemplary embodiment, the sensor has a first electrochemical cell, that is to say in particular an arrangement with two electrodes conductively connected to one another via an electrolyte, in particular solid electrolytes, between which a voltage can be applied, ie an electrochemical pump cell. In this second embodiment, the sensor further comprises a second electrochemical cell, so in particular an arrangement with two via an electrolyte, in particular solid electrolyte, ions conductively interconnected electrodes, between which a voltage can be tapped, ie an electrochemical Nernst cell.

In diesem zweiten Ausführungsbeispiel ist die eine der Elektroden der Nernstzelle einem Referenzgas ausgesetzt, während die andere der Elektroden der Nernstzelle über einen Diffusionswiderstand der nachzuweisenden Gaskomponente ausgesetzt und in einem Hohlraum im Inneren des Sensors angeordnet ist. In this second exemplary embodiment, one of the electrodes of the Nernst cell is exposed to a reference gas, while the other of the electrodes of the Nernst cell is exposed via a diffusion resistance of the gas component to be detected and arranged in a cavity in the interior of the sensor.

In diesem zweiten Ausführungsbeispiel ist die eine der Elektroden der Pumpzelle ebenfalls über den Diffusionswiderstand der nachzuweisenden Gaskomponente ausgesetzt und ebenfalls in dem Hohlraum im Inneren des Sensors angeordnet. Die andere der Elektroden der Pumpzelle ist der nachzuweisenden Gaskomponente ausgesetzt, beispielsweise unmittelbar oder ebenfalls über einen, vorzugsweise geringen, Diffusionswiderstand.In this second embodiment, the one of the electrodes of the pump cell is also exposed via the diffusion resistance of the gas component to be detected and also arranged in the cavity in the interior of the sensor. The other of the electrodes of the pumping cell is exposed to the gas component to be detected, for example directly or likewise via a, preferably low, diffusion resistance.

In dieser zweiten Ausführungsbeispiel wird die erste Betriebsart realisiert durch das Einregeln einer konstanten Konzentration der nachzuweisenden Gaskomponente in dem Hohlraum, wobei diese Konzentration mittels der Nernstzelle detektiert und mittels der Pumpzelle manipuliert wird, wobei der Nachweis der Gaskomponente von der Größe des Stroms durch die Pumpzelle abgeleitet wird, während die zweite Betriebsart realisiert wird durch die Messung einer sich an der ersten elektrochemischen Zelle ausbildenden Potentialdifferenz, insbesondere Nernstspannung.In this second embodiment, the first mode is realized by adjusting a constant concentration of the gas component to be detected in the cavity, which concentration is detected by the Nernst cell and manipulated by the pump cell, the detection of the gas component being derived from the magnitude of the current through the pump cell is, while the second mode is realized by the measurement of a forming at the first electrochemical cell potential difference, in particular Nernstspannung.

In einem dritten Ausführungsbeispiel weist der Sensor eine erste elektrochemische Zelle auf, also insbesondere eine Anordnung mit zwei über einen Elektrolyten, insbesondere Festelektrolyten, Ionen leitend miteinander verbundenen Elektroden, zwischen denen eine Spannung anlegbar ist, also eine elektrochemische Pumpzelle. In diesem zweiten Ausführungsbeispiel weist der Sensor ferner eine zweite elektrochemische Zelle auf, also insbesondere eine Anordnung mit zwei über einen Elektrolyten, insbesondere Festelektrolyten, Ionen leitend miteinander verbundene Elektroden, zwischen denen eine Spannung abgreifbar ist, also eine elektrochemische Nernstzelle. Ferner weist der Sensor eine dritte elektrochemische Zelle auf, zwischen denen eine Spannung abgreifbar ist, also eine weitere elektrochemische Nernstzelle. In a third exemplary embodiment, the sensor has a first electrochemical cell, that is to say in particular an arrangement with two electrodes conductively connected to one another via an electrolyte, in particular solid electrolytes, between which a voltage can be applied, ie an electrochemical pump cell. In this second exemplary embodiment, the sensor furthermore has a second electrochemical cell, that is to say in particular an arrangement having two electrodes conductively connected to one another via an electrolyte, in particular solid electrolytes, between which a voltage can be tapped off, that is to say an electrochemical Nernst cell. Furthermore, the sensor has a third electrochemical cell, between which a voltage can be tapped off, that is, another electrochemical Nernst cell.

In diesem dritten Ausführungsbeispiel ist die eine der Elektroden der Nernstzelle einem Referenzgas ausgesetzt, während die andere der Elektroden der Nernstzelle über einen Diffusionswiderstand der nachzuweisenden Gaskomponente ausgesetzt und in einem Hohlraum im Inneren des Sensors angeordnet ist. In this third exemplary embodiment, one of the electrodes of the Nernst cell is exposed to a reference gas, while the other of the electrodes of the Nernst cell is exposed via a diffusion resistance of the gas component to be detected and arranged in a cavity in the interior of the sensor.

In diesem dritten Ausführungsbeispiel ist die eine der Elektroden der Pumpzelle ebenfalls über den Diffusionswiderstand der nachzuweisenden Gaskomponente ausgesetzt und ebenfalls in dem Hohlraum im Inneren des Sensors angeordnet. Die andere der Elektroden der Pumpzelle ist der der nachzuweisenden Gaskomponente ausgesetzt, beispielsweise unmittelbar oder ebenfalls über einen, vorzugsweise geringen, Diffusionswiderstand.In this third exemplary embodiment, one of the electrodes of the pump cell is likewise exposed via the diffusion resistance of the gas component to be detected and likewise arranged in the cavity in the interior of the sensor. The other of the electrodes of the pumping cell is exposed to the gas component to be detected, for example directly or likewise via a, preferably low, diffusion resistance.

Die dritte elektrochemische Zelle, die weitere Nernstzelle ist in diesem Beispiel gebildet aus der einen Elektrode der Nernstzelle und der anderen Elektrode der Pumpzelle, die der der nachzuweisenden Gaskomponente, beispielsweise unmittelbar oder über einen, vorzugsweise geringen, Diffusionswiderstand, ausgesetzt ist.The third electrochemical cell, the further Nernst cell is formed in this example of the one electrode of the Nernst cell and the other electrode of the pumping cell, which is exposed to the gas component to be detected, for example, directly or via a, preferably low, diffusion resistance.

In diesem dritten Ausführungsbeispiel wird die erste Betriebsart realisiert durch das Einregeln einer konstanten Konzentration der nachzuweisenden Gaskomponente in dem Hohlraum, wobei diese Konzentration mittels der Nernstzelle detektiert und mittels der Pumpzelle manipuliert wird, wobei der Nachweis der Gaskomponente von der Größe des Stroms durch die Pumpzelle abgeleitet wird, während die zweite Betriebsart realisiert wird durch die Messung einer sich an der dritten elektrochemischen Zelle, der weiteren Nernstzelle ausbildenden Potentialdifferenz, insbesondere Nernstspannung.In this third embodiment, the first mode is realized by adjusting a constant concentration of the gas component to be detected in the cavity, which concentration is detected by the Nernst cell and manipulated by the pump cell, the detection of the gas component being derived from the magnitude of the current through the pump cell is, while the second mode is realized by the measurement of a at the third electrochemical cell, the further Nernst cell forming potential difference, in particular Nernstspannung.

Es wird vorliegend überdies ein Verfahren zum Erfassen einer an einer als Nernstzelle betriebenen elektrochemischen Zelle anliegenden Spannung vorgeschlagen, dass dadurch gekennzeichnet ist, dass die Elektroden der Nernstzelle hochohmig im Vergleich zum elektrischen Innenwiderstand der Nernstzelle, zum Beispiel über einen Vorwiderstand von 1kOhm bis 100kOhm oder von 10kOhm, mit einer Spannung beaufschlagt werden, die im Bereich zwischen 0V und der maximal erwartete Nernstspannung, zum Beispiel 900mV, liegt. Eine Sensoranordnung zur Durchführung des Verfahrens wird ebenfalls überdies vorgeschlagen. Eine Variante dieses Verfahren zum Erfassen einer an einer als Nernstzelle betriebenen elektrochemischen Zelle anliegenden Spannung besteht darin, dass die Nernstzelle mit gepumpter Referenz betrieben wird, und der Pumpstrom für die Zwecke der Durchführung des Verfahrens, insbesondere unter Berücksichtigung einer Relaxationszeit, ausgeschaltet wird. Es ist ferner optional stets möglich, diesen Referenzpumpstrom, insbesondere durch Modulation, auch zur Messung des elektrischen Elektrolytwiderstands zu nutzen, um die Temperatur der Nernstzelle, bzw. eines die Nernstzelle umfassenden Sensors, zu messen. Vorteilhaft an dem überdies vorgeschlagene Verfahren ist, dass an der Nernstzelle eine Spannung abgreifbar ist, die bei ungenügend beheizter, zum Beispiel kalter, Nernstzelle der angelegten Spannung entspricht, in dem Fall, in dem der Sauerstoffgehalt an beiden Elektroden der Nernstzelle ähnlich ist, einen Wert von 0V annimmt, und in dem Fall, in dem der Sauerstoffgehalt an beiden Elektroden der Nernstzelle deutlich verschieden ist, einen hohen Wert von beispielsweise 900mV liefert. Es entsteht insbesondere der Vorteil, dass der Fall in dem der Sauerstoffgehalt an beiden Elektroden der Nernstzelle gleich ist, von dem Fall einer ungenügend beheizten, zum Beispiel kalten, Nernstzelle unterschieden werden kann. Moreover, in the present case, a method is proposed for detecting a voltage applied to an electrochemical cell operated as a Nernst cell, which is characterized in that the electrodes of the Nernst cell have a high resistance compared to the internal electrical resistance of the Nernst cell, for example via a series resistor of 1 kOhm to 100 kOhm or 10kOhm, be applied in a voltage range between 0V and the maximum expected Nernst voltage, for example 900mV. A sensor arrangement for carrying out the method is also proposed. A variant of this method for detecting a voltage applied to an electrochemical cell operated as a Nernst cell is that the Nernst cell is operated with pumped reference, and the pumping current for the purposes of performing the method, in particular taking into account a relaxation time off. Furthermore, it is optionally always possible to use this reference pump current, in particular by modulation, also for measuring the electrical electrolyte resistance in order to measure the temperature of the Nernst cell or of a sensor comprising the Nernst cell. Another advantage of the proposed method is that a voltage can be tapped off at the Nernst cell that corresponds to the applied voltage when the voltage applied to the Nernst cell is insufficiently heated, for example, in the case where the oxygen content at both electrodes of the Nernst cell is similar of 0V, and in the case where the oxygen content at both electrodes of the Nernst cell is significantly different, gives a high value of, for example, 900mV. In particular, the advantage arises that the case in which the oxygen content at both electrodes of the Nernst cell is the same can be distinguished from the case of an insufficiently heated, for example cold, Nernst cell.

Zeichnungdrawing

1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung. 1 shows a first embodiment of a sensor device according to the invention.

2 zeigt den Temperaturverlauf in den verschiedenen Phasen der Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens. 2 shows the temperature profile in the various phases of the embodiments of the method according to the invention.

3 zeigt ein mögliches Detail einer Beschaltung des Sensors. 3 shows a possible detail of a wiring of the sensor.

4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung. 4 shows a second embodiment of a sensor device according to the invention.

5 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung. 5 shows a third embodiment of a sensor device according to the invention.

Beschreibung der AusführungsbeispieleDescription of the embodiments

In 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung 110 dargestellt. Die Sensoreinrichtung 110 umfasst einen Sensor 1 zur Erfassung mindestens eines Anteils mindestens einer Gaskomponente eines Gases in einem Messgasraum 2, insbesondere zum Nachweis von Sauerstoff in einem Abgas einer Verbrennungsmaschine. Der Sensor 1 umfasst eine erste elektrochemische Zelle 3 mit einer ersten Elektrode 136 und mit einer zweiten Elektrode 118. Die zweite Elektrode 118 ist in einem Hohlraum 130 angeordnet und ist über mindestens eine Diffusionsbarriere 120 mit dem Messgasraum 2 verbunden. Die erste Elektrode 136 und die zweite Elektrode 118 sind über mindestens einen Festelektrolyten 124 verbunden. In 1 is a first embodiment of a sensor device according to the invention 110 shown. The sensor device 110 includes a sensor 1 for detecting at least a portion of at least one gas component of a gas in a measuring gas space 2 , in particular for the detection of oxygen in an exhaust gas of an internal combustion engine. The sensor 1 includes a first electrochemical cell 3 with a first electrode 136 and with a second electrode 118 , The second electrode 118 is in a cavity 130 arranged and is over at least one diffusion barrier 120 with the sample gas chamber 2 connected. The first electrode 136 and the second electrode 118 are about at least one solid electrolyte 124 connected.

Zwischen die erste Elektrode 136 und die zweite Elektrode 118 ist eine Spannung Up anlegbar, sodass die erste Elektrode 136 und die zweite Elektrode 118 zusammen mit dem Festelektrolyten 124 eine elektrochemische Pumpzelle 3 bilden. Der durch die Pumpzelle 3 fließende elektrische Strom Ip ist zeitaufgelöst erfassbar. Between the first electrode 136 and the second electrode 118 is a voltage Up can be applied, so that the first electrode 136 and the second electrode 118 together with the solid electrolyte 124 an electrochemical pumping cell 3 form. The one through the pump cell 3 flowing electric current Ip can be detected with time resolution.

Zusätzlich ist eine sich zwischen der ersten Elektrode 136 und der zweiten Elektrode 118 ausbildende Nernstspannung U_N abgreifbar, sodass die erste Elektrode 136 und die zweite Elektrode 118 zusammen mit dem Festelektrolyten 124 eine elektrochemische Nernstzelle bilden. Die sich an dieser Nernstzelle ausbildende Nernstspannung U_N ist zeitaufgelöst erfassbar.In addition, one is between the first electrode 136 and the second electrode 118 tapping Nernst voltage U _N tapped off, so that the first electrode 136 and the second electrode 118 together with the solid electrolyte 124 form an electrochemical Nernst cell. The Nernst voltage U _N forming at this Nernst cell can be detected with time resolution.

Die erste Elektrode 136 ist in einem Referenzgasraum 126 angeordnet, das heißt in einem Gasraum, der von dem Messgasraum 2 gasdicht oder zumindest im Wesentlichen gasdicht getrennt ist. Weiterhin kann der Gassensor 1 ein Heizelement 128 umfassen. The first electrode 136 is in a reference gas space 126 arranged, that is, in a gas space of the measuring gas space 2 gas-tight or at least substantially gas-tight is separated. Furthermore, the gas sensor 1 a heating element 128 include.

Die Sensorvorrichtung 110 weist weiterhin ein Steuergerät 112 auf. Das Steuergerät 112 ist eingerichtet, um ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben des Sensors durchzuführen. Das Steuergerät 112 kann beispielsweise über eine Schnittstelle 134 mit dem Gassensor 1 verbunden sein. Das Steuergerät 112 kann aber auch vollständig oder teilweise in dem Gassensor 1 integriert sein. Das Steuergerät 112 kann aber beispielsweise auch ganz oder teilweise in andere Komponenten integriert sein, beispielsweise in einen Stecker und/oder in eine Motorsteuerung. Das Steuergerät 112 kann beispielsweise mindestens eine Beaufschlagungsvorrichtung umfassen, um die Elektroden, insbesondere die erste Elektrode 136 und/oder die zweite Elektrode 118 mit Strom und/oder Spannung zu beaufschlagen. Bei der Beaufschlagungsvorrichtung kann es sich beispielsweise um eine Spannungsquelle und/oder eine Stromquelle handeln. Insbesondere kann als Beaufschlagungsvorrichtung eine Konstantstromquelle vorgesehen sein. Die Beaufschlagungsvorrichtung kann insbesondere elektrische Leitungen umfassen. Beispielsweise kann die Beaufschlagungsvorrichtung insbesondere mindestens zwei Heizzuleitungen 188, insbesondere zur Versorgung des Heizelements 128 mit elektrischer Spannung und/oder elektrischem Strom, und/oder eine Referenzelektrodenzuleitung 140 und/oder eine Innenelektrodenzuleitung 142. Weiterhin kann das Steuergerät 112 gegebenenfalls mindestens eine Messvorrichtung umfassen, beispielsweise mindestens eine Spannungsmessvorrichtung und/oder mindestens eine Strommessvorrichtung. Die Messvorrichtung ist dabei optional jeweils eingerichtet, eine Spannung oder einen Strom, zum Beispiel einen zwischen erster und zweiter Elektrode 136, 118 anliegende Spannung zeitaufgelöst zu messen, oder zum Beispiel einen zwischen erster und zweiter Elektrode 136, 118, fließenden Strom zeitaufgelöst zu messen. The sensor device 110 also has a control unit 112 on. The control unit 112 is arranged to perform a method according to the invention for operating the sensor. The control unit 112 can for example via an interface 134 with the gas sensor 1 be connected. The control unit 112 but also completely or partially in the gas sensor 1 be integrated. The control unit 112 However, for example, it can also be completely or partially integrated in other components, for example in a plug and / or in a motor control. The control unit 112 For example, it may comprise at least one loading device around the electrodes, in particular the first electrode 136 and / or the second electrode 118 to be supplied with current and / or voltage. The application device may be, for example, a voltage source and / or a current source. In particular, a constant current source can be provided as the application device. The loading device may in particular comprise electrical lines. For example, the application device can in particular at least two Heizzuleitungen 188 , in particular for the supply of the heating element 128 with electrical voltage and / or electrical current, and / or a reference electrode lead 140 and / or an internal electrode lead 142 , Furthermore, the control unit 112 optionally comprise at least one measuring device, for example at least one voltage measuring device and / or at least one current measuring device. The measuring device is optionally set up in each case, a voltage or a current, for example one between the first and second electrode 136 . 118 to measure applied voltage time-resolved, or for example one between the first and second electrode 136 . 118 to measure flowing current time-resolved.

1 zeigt beispielhaft einen schematischen Aufbau einer auch als Pumpzelle bezeichneten einzelligen Breitband-Lambdasonde. Der Gassensor 1 kann insbesondere ein Gaszutrittsloch 129 umfassen. Beispielsweise kann ein Diffusionsweg des Gases, insbesondere der Gaskomponente des Gases, beispielsweise Sauerstoff, von dem Gaszutrittsloch 129 durch die Diffusionsbarriere 120, insbesondere durch die poröse Diffusionsbarriere 120, zu der zweiten Elektrode 118, insbesondere der Innenpumpelektrode, in den Hohlraum 130 führen. Der Festelektrolyt 124 kann, insbesondere ganz oder überwiegend, aus teil- oder vollstabilisiertem Zirkonoxid bestehen, die Elektroden 136, 118 können, insbesondere ganz oder überwiegend, aus einem Cermet, beispielsweise aus einem Platin und teil- oder vollstabilisiertes Zirkonoxid aufweisendem Cermet, bestehen. 1 shows an example of a schematic structure of a one-cell broadband lambda probe, also referred to as a pumping cell. The gas sensor 1 in particular, a gas access hole 129 include. For example, a diffusion path of the gas, particularly the gas component of the gas, for example oxygen, may be from the gas inlet hole 129 through the diffusion barrier 120 , in particular through the porous diffusion barrier 120 , to the second electrode 118 , in particular the inner pumping electrode, into the cavity 130 to lead. The solid electrolyte 124 may, in particular wholly or predominantly, consist of partially or fully stabilized zirconia, the electrodes 136 . 118 can, in particular wholly or predominantly, consist of a cermet, for example of a platinum and partially or fully stabilized zirconium oxide cermet.

Zum Aufheizen des Sensors 1 ist es in diesem Beispiel vorgesehen, dass die Beaufschlagungsvorrichtung das Heizelement 128 über Heizerzuleitungen 188 mit elektrischer Spannung und/oder elektrischem Strom versorgt. Dies erfolgt in diesem Beispiel mittels pulsweitenmodulierten Signalen, die mit einer Frequenz von 100Hz übermittelt werden, das heißt die Signalzykluszeit beträgt 10ms. Es ist ferner vorgesehen, dass die Temperatur des Sensors 1 zeitaufgelöst durch Messung der Impedanz der ersten elektrochemischen Zelle 3 erfasst wird, beispielsweise durch Beaufschlagung der ersten elektrochemischen Zelle 3 mit Probepulsen oder sonstigen Testsignalen. Insbesondere kann in dem Steuergerät 112 ein Regler implementiert sein, der die aktuelle Temperatur des Sensors 1 mit einem vorgegebenen Sollwert, beziehungsweise einem aktuellen Regelziel, vergleicht und auftretende Abweichungen durch entsprechende Beheizung des Sensors 1 kompensiert. Im vorliegenden Beispiel beträgt die Regelbandbreite 20 Hz.For heating the sensor 1 it is provided in this example that the loading device, the heating element 128 via heater leads 188 supplied with electrical voltage and / or electrical power. This is done in this example by means of pulse width modulated signals, which are transmitted at a frequency of 100Hz, that is, the signal cycle time is 10ms. It is further contemplated that the temperature of the sensor 1 Time resolved by measuring the impedance of the first electrochemical cell 3 is detected, for example by applying the first electrochemical cell 3 with test pulses or other test signals. In particular, in the control unit 112 a controller can be implemented that determines the current temperature of the sensor 1 with a predetermined setpoint, or a current control target, compares and occurring deviations by appropriate heating of the sensor 1 compensated. In the present example, the control bandwidth is 20 Hz.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens ist beispielsweise vorgesehen, dass ein Aufheizen des Sensors 1 unmittelbar nach Inbetriebnahme der Sensorvorrichtung 110 erfolgt. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass nach Inbetriebnahme des Sensors eine Weile abgewartet wird, bis mit dem Aufheizen des Sensors 1 begonnen wird. For carrying out the operating method according to the invention, provision is made, for example, for the heating of the sensor 1 immediately after commissioning of the sensor device 110 he follows. Alternatively, it can also be provided that, after the sensor has been put into operation, it is waited a while until the sensor is heated up 1 is started.

2: In einer ersten Phase I des Aufheizens erfolgt beispielsweise ein Aufheizen des Sensors 1 mit einer Temperatur T_I als Regelziel. Die Temperatur T_I ist hierbei beispielsweise so gewählt, dass sie einerseits hoch genug ist, um zu gewährleisten, dass an der ersten elektrochemischen Zelle 3 eine Nernstspannung U_N gemäß der Differenz der Sauerstoffkonzentration an den Elektroden 118, 136 der ersten elektrochemischen Zelle 3 auftritt. Anderseits ist die Temperatur T_I aber auch so niedrig gewählt, dass die Gefahr einer Beschädigung des Sensors 1 gering ist, selbst wenn der Sensor 1 von Wasser in flüssiger Form, das zu diesem Zeitpunkt noch im Abgastrakt einer Brennkraftmaschine vorzufinden sein könnte, in einem gewissen Umfang getroffen werden sollte. Grundsätzlich kann es sich dabei um eine Temperatur im Bereich von 200°C bis 600°C handeln. Der Temperaturbereich von 200°C bis 300°C ist hinsichtlich einer schnellen Erreichbarkeit und hohen Betriebssicherheit besonders günstig, während ein Bereich von 400°C bis 600°C hinsichtlich einer hohen Messfunktionalität, insbesondere einer hohen Dynamik, günstig ist. Als ein bevorzugter Kompromiss zwischen den unterschiedlichen Anforderungen kann ein Temperaturbereich von 300°C bis 400°C angesehen werden. 2 In a first phase I of heating, for example, the sensor is heated up 1 with a temperature T _I as the control target. The temperature T _I is chosen, for example, such that, on the one hand, it is high enough to ensure that the first electrochemical cell 3 a Nernst voltage U _N according to the difference of the oxygen concentration at the electrodes 118 . 136 the first electrochemical cell 3 occurs. On the other hand, the temperature T _I is also chosen so low that the risk of damage to the sensor 1 is low, even if the sensor 1 of water in liquid form, which could still be found in the exhaust tract of an internal combustion engine at this time, should be taken to some extent. Basically, this may be a temperature in the range of 200 ° C to 600 ° C. The temperature range of 200 ° C to 300 ° C is particularly favorable in terms of quick accessibility and high reliability, while a range of 400 ° C to 600 ° C in terms of high measurement functionality, in particular a high dynamic, low. As a preferred compromise between the different requirements, a temperature range of 300 ° C to 400 ° C can be considered.

Das Aufheizen des Sensors 1 in dieser Phase kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass an dem Heizelement 128 eine Spannung von beispielsweise 12V anliegt wird, so dass entsprechend dem elektrischen Widerstand des Heizelements 128 eine Heizleistung resultiert. Das Aufheizen des Sensors 1 in dieser ersten Phase I kann beispielsweise mit einer Aufheizrate erfolgen, die zwischen 100K/s und 400K/s liegt. Ausgehend von einem kalten Sensor 1 (0°C) ist somit die Temperatur T_I innerhalb einer Zeit von 0,5s bis 6s erreichbar. Heating the sensor 1 In this phase can be done, for example, that on the heating element 128 a voltage of, for example 12V is applied, so that according to the electrical resistance of the heating element 128 a heating power results. Heating the sensor 1 in this first phase I, for example, can be done with a heating rate that is between 100K / s and 400K / s. Starting from a cold sensor 1 (0 ° C) is thus the temperature T _{I reach} within a time of 0.5s to 6s.

In einer der ersten Phase I nachfolgenden zweiten Phase II erfolgt ein hier als Interimsbetrieb IB des Sensors 1 bezeichneter Betrieb des Sensors 1, bei dem der Nachweis der Gaskomponente durch Auswertung der an der ersten elektrochemischen Zelle 3 anliegenden Nernstspannung U_N erfolgt und bei dem der Sensor mit einer Aufheizrate und/oder Heizleistung beheizt wird, die geringer ist als in der ersten Phase. In one of the first phase I subsequent second phase II takes place here as interim operation IB of the sensor 1 designated operation of the sensor 1 in which the detection of the gas component by evaluation of the at the first electrochemical cell 3 applied Nernst voltage U _N and in which the sensor is heated at a heating rate and / or heating power, which is lower than in the first phase.

Im vorliegenden Beispiel wird die Temperatur des Sensors 1 in dieser zweiten Phase II wie oben beschrieben und beispielsweise mit einer Bandbreite von 20 Hz auf den Wert T_I geregelt und ist damit, zumindest gemittelt über die inverse Regelbandbreite und/oder zumindest gemittelt über die Signalzykluszeit der pulsweitenmodulierten Ansteuerung des Heizelements 128, weitgehend konstant. Auch die Heizleistung ist zumindest gemittelt über die inverse Regelbandbreite und/oder zumindest gemittelt über die Signalzykluszeit der pulsweitenmodulierten Ansteuerung des Heizelements 128, im Vergleich zu Phase I vermindert, beispielsweise auf einen Wert von 10% bis 30% der Heizleistung in der ersten Phase I. In the present example, the temperature of the sensor 1 in this second phase II as described above and regulated, for example, with a bandwidth of 20 Hz to the value T _I and is thus, at least averaged over the inverse control bandwidth and / or at least averaged over the signal cycle time of the pulse width modulated control of the heating element 128 , largely constant. The heating power is also at least averaged over the inverse control bandwidth and / or at least averaged over the signal cycle time of the pulse width modulated control of the heating element 128 , reduced compared to phase I, for example, to a value of 10% to 30% of the heating power in the first phase I.

Alternativ wäre es auch möglich, in dieser zweiten Phase II statt einer konstanten Temperatur eine langsam ansteigende Temperatur als Regelziel vorzugeben, beispielsweise mit einer Aufheizrate, die zwischen 15K/s und 150K/s liegt und aus der eine langsam ansteigende und im Vergleich zu Phase 1 verminderte Heizleistung resultiert. Alternatively, it would also be possible to specify in this second phase II instead of a constant temperature, a slowly increasing temperature as the control target, for example with a heating rate which is between 15K / s and 150K / s and from a slowly increasing and compared to phase 1 reduced heating power results.

Es ist beispielsweise vorgesehen, dass der Interimsbetrieb IB 0,5 bis 10 Sekunden, bevorzugt 2 bis 5 Sekunden, ohne Unterbrechung erfolgt und/oder solange fortgesetzt wird, bis eine rasche weitere Aufheizung des Sensors 1 gefahrlos möglich ist, beispielsweise bis zu einem Zeitpunkt, zu dem sicher davon ausgegangen wird, dass ein Auftreffen von Wasser in flüssiger Form auf dem Sensor nicht mehr oder nur noch in tolerierbarem Maße zu erwarten ist. It is provided, for example, that the interim operation IB takes place 0.5 to 10 seconds, preferably 2 to 5 seconds, without interruption and / or continue until a rapid further heating of the sensor 1 is safely possible, for example, up to a time when it is safely assumed that an impact of water in liquid form on the sensor is no longer or only to a tolerable extent expected.

Das Abgreifen der Nernstspannung U_N zwischen den Elektroden 118, 136 der ersten elektrochemischen Zelle 3 kann einerseits rein passiv durch eine Spannungsmesseinrichtung erfolgen. Nachteilig ist hieran jedoch, dass sich im Fall, in dem der Sauerstoffgehalt im Messgasraum 2 bzw. im Hohlraum 130 ähnlich dem Sauerstoffgehalt im Referenzraum 126 ist, keine von Null verschiedene Nernstspannung U_N ausbildet und somit von der Spannung die zwischen den Elektroden 118, 136 der ersten elektrochemischen Zelle 3 bei ungenügend beheiztem, zum Beispiel kaltem, Sensor 1, nicht unterschieden werden kann.Tapping the Nernst voltage U _N between the electrodes 118 . 136 the first electrochemical cell 3 On the one hand, it can be done purely passively by means of a tension measuring device. The disadvantage of this, however, is that in the case where the oxygen content in the sample gas space 2 or in the cavity 130 similar to the oxygen content in the reference space 126 is no non-zero Nernst voltage U _N and thus the voltage between the electrodes 118 . 136 the first electrochemical cell 3 with insufficiently heated, for example, cold, sensor 1 , can not be distinguished.

Eine bevorzugte Alternative zum Messen der Nernstspannung U_N zwischen den Elektroden 118, 136 der ersten elektrochemischen Zelle 3 ist in 3 anhand eines Schaltbildes dargestellt. Die Elektroden 118, 136 der ersten elektrochemischen Zelle 3 werden hochohmig im Vergleich zum Innenwiderstand Rz der elektrochemische Zelle 3 bei der für den Interimsbetrieb IB erforderlichen Temperatur, beispielsweise mit einem Vorwiderstand Rv von 1kOhm bis 100 kOhm, insbesondere Rv=10 kOhm, und mit einer Spannung Uv beaufschlagt die im Bereich zwischen 0V und einer maximal erwarteten Nernstspannung (z.B. 900mV), liegt und beispielsweise 450 mV beträgt. A preferred alternative for measuring the Nernst voltage U _N between the electrodes 118 . 136 the first electrochemical cell 3 is in 3 illustrated by a circuit diagram. The electrodes 118 . 136 the first electrochemical cell 3 become high impedance compared to the internal resistance Rz of the electrochemical cell 3 at the temperature required for the interim operation IB, for example with a series resistor Rv of 1kOhm to 100 kOhm, in particular Rv = 10 kOhm, and with a voltage Uv applied in the range between 0V and a maximum expected Nernst voltage (eg 900mV), is and for example 450 mV.

Im Ergebnis ist an der elektrochemische Zelle 3 eine Spannung abgreifbar, die bei ungenügend beheiztem, zum Beispiel kaltem, Sensor 1 der angelegten Spannung Uv entspricht, in dem Fall, in dem der Sauerstoffgehalt im Messgasraum 2 bzw. im Hohlraum 130 ähnlich dem Sauerstoffgehalt im Referenzraum 126 ist, einen Wert von 0V annimmt, und in dem Fall, in dem der Sauerstoffgehalt im Messgasraum 2 bzw. im Hohlraum 130 wesentlich geringer als im Referenzraum 126 ist, einen hohen Wert von beispielsweise 900mV liefert. Es entsteht insbesondere der Vorteil, dass der Fall in dem der Sauerstoffgehalt im Messgasraum 2 bzw. im Hohlraum 130 ähnlich dem Sauerstoffgehalt im Referenzraum 126 ist, von dem Fall eines ungenügend beheiztem, zum Beispiel kalten, Sensors 1 unterschieden werden kann. The result is at the electrochemical cell 3 a voltage can be tapped off, the insufficiently heated, for example, cold, sensor 1 the applied voltage Uv corresponds, in the case where the oxygen content in the sample gas space 2 or in the cavity 130 similar to the oxygen content in the reference space 126 is, assumes a value of 0V, and in the case where the oxygen content in the sample gas space 2 or in the cavity 130 much lower than in the reference room 126 is, for example, a high value of 900mV. In particular, there is the advantage that the case in which the oxygen content in the sample gas space 2 or in the cavity 130 similar to the oxygen content in the reference space 126 is, in the case of insufficiently heated, for example, cold, sensor 1 can be distinguished.

Durch die beschriebene Alternative ist insbesondere die alternative Möglichkeit gegeben, das Erreichen der Temperatur T_I nicht mittels einer Temperaturmessung im engen Sinn bzw. einer Impedanzmessung zu detektieren, sondern durch Auswertung des Sensorsignals, in diesem Fall der abgegriffenen Nernstspannung.The described alternative provides, in particular, the alternative possibility of not detecting the attainment of the temperature T _I by means of a temperature measurement in the narrow sense or an impedance measurement, but by evaluating the sensor signal, in this case the tapped Nernst voltage.

In einer der zweiten Phase II nachfolgenden dritten Phase III erfolgt ein weiteres Aufheizen des Sensors 1 auf seine Betriebstemperatur T_B, bei der in diesem Beispiel eine hohe Leitfähigkeit der ersten elektrochemischen Zelle 3 für Sauerstoffionen gegeben ist, in diesem Beispiel 780°C. Auch andere Betriebstemperaturen T_B, beispielsweise in einem Temperaturbereich von 650°C bis 900°C, bevorzugt in einem Temperaturbereich von 740°C bis 850°C sind grundsätzlich möglich. In Phase III ist die Betriebstemperatur T_B ausgehend von der in der zweiten Phase erreichten Temperatur vorzugsweise innerhalb einer Zeit von 0,5s bis 6s erreichbar. In a third phase III following the second phase II, a further heating of the sensor takes place 1 to its operating temperature T _B , in this example, a high conductivity of the first electrochemical cell 3 for oxygen ions, in this example 780 ° C. Other operating temperatures T _B , for example in a temperature range of 650 ° C to 900 ° C, preferably in a temperature range of 740 ° C to 850 ° C are basically possible. In phase III, the operating temperature T _B, starting from the temperature reached in the second phase, can preferably be reached within a time of 0.5 s to 6 s.

Es ist vorgesehen, dass in dieser dritten Phase III mit einer Aufheizrate und/oder Heizleistung beheizt wird, die im Vergleich zur zweiten Phase II erhöht ist, beispielsweise auf Werte der Aufheizrate und/oder der Heizleistung, die in den für die erste Phase I angegebenen Bereichen liegen. In vielen Fällen ist die Aufheizrate und die Heizleistung des Sensors 1 der dritten Phase III im Vergleich zur ersten Phase I, also bei höheren Temperaturen, aufgrund der höheren Wärmeverluste und eines eventuell erhöhten elektrischen Widerstand des Heizelements 128 vermindert. It is envisaged that in this third phase III is heated with a heating rate and / or heating power, which is increased compared to the second phase II, for example, on rates of heating rate and / or the heating power in the specified for the first phase I. Areas lie. In many cases, the heating rate and the heating power of the sensor 1 the third phase III compared to the first phase I, ie at higher temperatures, due to the higher heat losses and a possibly increased electrical resistance of the heating element 128 reduced.

In einer der dritten Phase III nachfolgenden vierten Phase IV erfolgt ein Betrieb des Sensors 1 als Breitband-Lambdasensor. Zu diesem Zweck wird beispielsweise an die erste elektrochemische Zelle 3 eine Spannung U_G angelegt, beispielsweise eine Spannung U_G, die in einem Bereich von 300mV bis 900mV liegt, die einen Fluss von Sauerstoffionen aus dem Hohlraum 130 in den Referenzraum 126 bewirkt und groß genug ist, sämtlichen durch die Diffusionsbarriere 120 in den Hohlraum 130 transportierten Sauerstoff stets vollständig elektrochemisch abzupumpen. Der resultierende Pumpstrom I_G wird als Maß für den Sauerstoffpartialdruck im Messgasraum 2 verwendet.In a fourth phase IV following the third phase III, the sensor is operated 1 as a broadband lambda sensor. For this purpose, for example, to the first electrochemical cell 3 a voltage U _{G is} applied, for example a voltage U _G which is in a range of 300mV to 900mV, which is a flow of oxygen ions from the cavity 130 in the reference room 126 and big enough, all through the diffusion barrier 120 in the cavity 130 Always transport transported oxygen completely electrochemically. The resulting pumping current I _G is a measure of the oxygen partial pressure in the sample gas space 2 used.

Der Wechsel von der im Zusammenhang mit dem Interimsbetrieb IB in der zweiten Phase II diskutierten zweiten Betriebsart BA₂, die die Auswertung einer Nernstspannung U_N vorsieht, zu der im Zusammenhang mit der vierten Phase IV diskutierten ersten Betriebsart BA₁, die das Messen eines Grenzstroms I_G vorsieht, kann beispielsweise nach Erreichen der Betriebstemperatur T_B bei Übergang von der dritten Phase III zur vierten Phase IV erfolgen. Alternativ ist es auch möglich, dass dieser Wechsel bereits vor Erreichen der Betriebstemperatur T_B, zum Beispiel bereits kurz vor Erreichen der Betriebstemperatur T_B, erfolgt.The change from the second operating mode BA ₂ discussed in connection with the interim operation IB in the second phase II, which provides for the evaluation of a Nernst voltage U _N , to the first operating mode BA ₁ discussed in connection with the fourth phase IV, which measures the measurement of a limiting current I _G provides, can be carried out, for example, after reaching the operating temperature T _B at the transition from the third phase to the fourth phase III IV. Alternatively, it is also possible for this change to occur even before the operating temperature T _{B has been reached} , for example already shortly before the operating temperature T _B is reached.

Es ist vorgesehen, dass die Temperatur des Sensors 1 während der vierten Phase IV zumindest weitgehend konstant ist, beispielsweise auf die Betriebstemperatur T_B geregelt ist. It is envisaged that the temperature of the sensor 1 during the fourth phase IV is at least largely constant, for example, to the operating temperature T _{B is} regulated.

Das erste Ausführbeispiel ist auch unabhängig von dem diskutierten speziellen Aufheizverhalten und/oder dem speziellen Heizleistungsverlauf ein Beispiel für ein Verfahren zum Betrieben eines Sensors 1 zum Nachweis einer Gaskomponente, insbesondere eines elektrochemischen Abgassensors für eine Brennkraftmaschine, beispielsweise eines Sauerstoffsensors, wobei das Verfahren das Aufheizen des Sensors 1 auf eine Betriebstemperatur T_B und den anschließenden Nachweis der Gaskomponente in einer ersten Betriebsart BA₁, die eine Grenzstrommessung umfasst, vorsieht, wobei zumindest zeitweise während des Aufheizens des Sensors 1 ein Interimsbetrieb IB des Sensors 1 vorgesehen ist, während dem der Nachweis der Gaskomponente in einer zweiten Betriebsart BA₂, die die Messung einer Nernstspannung U_N umfasst, erfolgt, und dadurch gekennzeichnet ist, dass die Grenzstrommessung der ersten Betriebsart BA₁ und die Nernstspannungsmessung der zweiten Betriebsart BA₂ mit der jeweils entsprechend beschalteten aber ansonsten derselben ersten elektrochemischen Zelle 3 erfolgt. Insbesondere ist das Verfahren mit einem Sensor 1 ausführbar, in diesem Beispiel insbesondere mit einem Sensor 1 mit genau einer elektrochemischen Zelle und einer entsprechenden Sensoreinrichtung 110. The first embodiment is also an example of a method for operating a sensor, regardless of the specific heating behavior and / or the specific heating performance curve discussed 1 for detecting a gas component, in particular an electrochemical exhaust gas sensor for an internal combustion engine, for example an oxygen sensor, the method comprising heating the sensor 1 to an operating temperature T _B and the subsequent detection of the gas component in a first mode BA ₁ , which includes a limiting current measurement, provides, wherein at least temporarily during the heating of the sensor 1 an interim operation IB of the sensor 1 is provided, during which the detection of the gas component in a second mode BA ₂ , which includes the measurement of a Nernst voltage U _N , takes place, and characterized in that the limiting current measurement of the first mode BA ₁ and the Nernstspannungsmessung the second mode BA ₂ with the but correspondingly wired but otherwise the same first electrochemical cell 3 he follows. In particular, the method is with a sensor 1 executable, in this example, in particular with a sensor 1 with exactly one electrochemical cell and a corresponding sensor device 110 ,

In 4 ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung 110 dargestellt. Die Sensoreinrichtung 110 umfasst einen Sensor 1 zur Erfassung mindestens eines Anteils mindestens einer Gaskomponente eines Gases in einem Messgasraum 2, insbesondere zum Nachweis von Sauerstoff in einem Abgas einer Verbrennungsmaschine. Der Sensor 1 umfasst eine erste elektrochemische Zelle 3 mit einer ersten Elektrode 116 und mit einer zweiten Elektrode 118. Die zweite Elektrode 118 ist in mindestens einem Hohlraum 130 angeordnet und ist über mindestens eine Diffusionsbarriere 120 mit dem Messgasraum 2 verbunden. Die erste Elektrode 116 und die zweite Elektrode 118 sind über mindestens einen Festelektrolyten 124 verbunden. Zwischen die erste Elektrode 116 und die zweite Elektrode 118 ist eine Spannung Up anlegbar, sodass die erste Elektrode 116 und die zweite Elektrode 118 zusammen mit dem Festelektrolyten 124 eine elektrochemische Pumpzelle 3 bilden. Der durch die Pumpzelle 3 fließende elektrische Strom Ip ist zeitaufgelöst erfassbar. In 4 is a second embodiment of a sensor device according to the invention 110 shown. The sensor device 110 includes a sensor 1 for detecting at least a portion of at least one gas component of a gas in a measuring gas space 2 , in particular for the detection of oxygen in an exhaust gas of an internal combustion engine. The sensor 1 includes a first electrochemical cell 3 with a first electrode 116 and with a second electrode 118 , The second electrode 118 is in at least one cavity 130 arranged and is over at least one diffusion barrier 120 with the sample gas chamber 2 connected. The first electrode 116 and the second electrode 118 are about at least one solid electrolyte 124 connected. Between the first electrode 116 and the second electrode 118 is a voltage Up can be applied, so that the first electrode 116 and the second electrode 118 together with the solid electrolyte 124 an electrochemical pumping cell 3 form. The one through the pump cell 3 flowing electric current Ip can be detected with time resolution.

Der Sensor 1 umfasst ferner eine zweite elektrochemische Zelle 4 mit einer ersten Elektrode 136 und einer zweiten Elektrode 138. Die zweite Elektrode 138 der zweiten elektrochemischen Zelle 4 ist in dem Hohlraum 130 angeordnet und mit der zweiten Elektrode 118 der ersten elektrochemischen Zelle 3 identisch. Auch zwei voneinander verschiedene Elektroden 118, 138, die beide in dem Hohlraum 130 angeordnet sind, wären alternativ möglich. Die erste Elektrode 136 und die zweite Elektrode 138 der zweiten elektrochemischen Zelle 4 sind über den mindestens einen Festelektrolyten 124 verbunden. Zwischen der ersten Elektrode 136 und der zweiten Elektrode 138 der zweiten elektrochemischen Zelle 4 ist eine Nernstspannung U_N abgreifbar, sodass die erste Elektrode 136 und die zweite Elektrode 118 zusammen mit dem Festelektrolyten 124 eine Nernstzelle 4 bilden. Die an der Nernstzelle 4 anliegende Spannung U_N ist zeitaufgelöst erfassbar.The sensor 1 further comprises a second electrochemical cell 4 with a first electrode 136 and a second electrode 138 , The second electrode 138 the second electrochemical cell 4 is in the cavity 130 arranged and with the second electrode 118 the first electrochemical cell 3 identical. Also two different electrodes 118 . 138 both in the cavity 130 are arranged, would be possible alternatively. The first electrode 136 and the second electrode 138 the second electrochemical cell 4 are above the at least one solid electrolyte 124 connected. Between the first electrode 136 and the second electrode 138 the second electrochemical cell 4 is a Nernst voltage U _N tapped off, so that the first electrode 136 and the second electrode 118 together with the solid electrolyte 124 a Nernst cell 4 form. The at the Nernstzelle 4 applied voltage U _N is detected time-resolved.

Die erste Elektrode 116 der ersten elektrochemischen Zelle 3 kann insbesondere als Außenpumpelektrode, insbesondere in einem zweizelligen Gassensor 1, ausgestaltet sein. Als Außenpumpelektrode kann die erste Elektrode 116 insbesondere in einem Messgasraum 2 angeordnet sein. Die erste Elektrode 136 der zweiten elektrochemischen Zelle 4 kann insbesondere in einem Referenzgasraum 126 angeordnet sein, das heißt in einem Gasraum, der von dem Messgasraum 2 gasdicht oder zumindest im Wesentlichen gasdicht getrennt ist. Weiterhin kann der Gassensor 1 ein Heizelement 128 umfassen. Weiterhin kann der Gassensor 1 einen Abgleichwiderstand 180 umfassen. Der Abgleichwiderstand 180 kann beispielsweise mit einem Messwiderstand als Stromteiler zum Abgleich des Gassensors 1, insbesondere zur Kalibrierung, dienen. The first electrode 116 the first electrochemical cell 3 can in particular as external pumping electrode, in particular in a two-cell gas sensor 1 be designed. As outer pumping electrode, the first electrode 116 especially in a sample gas space 2 be arranged. The first electrode 136 the second electrochemical cell 4 especially in a reference gas space 126 be arranged, that is, in a gas space of the measuring gas space 2 gas-tight or at least substantially gas-tight is separated. Furthermore, the gas sensor 1 a heating element 128 include. Furthermore, the gas sensor 1 a balance resistor 180 include. The balance resistor 180 For example, with a measuring resistor as a current divider to balance the gas sensor 1 , in particular for calibration serve.

Die Sensorvorrichtung 110 weist weiterhin ein Steuergerät 112 auf. Das Steuergerät 112 ist eingerichtet, um ein erfindungsgemäßes Verfahren auszuführen. Das Steuergerät 112 kann beispielsweise über eine Schnittstelle 134 mit dem Gassensor 1 verbunden sein. Das Steuergerät 112 kann aber auch vollständig oder teilweise in dem Gassensor 1 integriert sein. Das Steuergerät 112 kann aber beispielsweise auch ganz oder teilweise in andere Komponenten integriert sein, beispielsweise in einen Stecker und/oder in eine Motorsteuerung. Das Steuergerät 112 kann beispielsweise mindestens eine Beaufschlagungsvorrichtung umfassen, um die Elektroden mit Strom und/oder Spannung zu beaufschlagen. Bei der Beaufschlagungsvorrichtung kann es sich beispielsweise um eine Spannungsquelle und/oder eine Stromquelle handeln. Insbesondere kann als Beaufschlagungsvorrichtung eine Konstantstromquelle vorgesehen sein. Die Beaufschlagungsvorrichtung kann insbesondere elektrische Leitungen umfassen. Beispielsweise kann die Beaufschlagungsvorrichtung insbesondere mindestens zwei Heizerzuleitungen 188, insbesondere zur Versorgung des Heizelements 128 mit elektrischer Spannung und/oder elektrischem Strom, und/oder eine Referenzelektrodenzuleitung 140 und/oder eine Innenelektrodenzuleitung 142 und/oder eine Außenpumpelektrodenzuleitung 144 umfassen. Weiterhin kann das Steuergerät 112 gegebenenfalls mindestens eine Messvorrichtung umfassen, beispielsweise mindestens eine Spannungsmessvorrichtung und/oder mindestens eine Strommessvorrichtung. Die Messvorrichtung ist dabei optional jeweils eingerichtet, eine Spannung oder einen Strom, zum Beispiel einen zwischen erster und zweiter Elektrode 116, 118 anliegende Spannung zeitaufgelöst zu messen, oder zum Beispiel einen zwischen erster und zweiter Elektrode 116, 118, also durch die Pumpzelle 3, fließenden Strom zeitaufgelöst zu messen. The sensor device 110 also has a control unit 112 on. The control unit 112 is set up to carry out a method according to the invention. The control unit 112 can for example via an interface 134 with the gas sensor 1 be connected. The control unit 112 but also completely or partially in the gas sensor 1 be integrated. The control unit 112 However, for example, it can also be completely or partially integrated in other components, for example in a plug and / or in a motor control. The control unit 112 For example, it may include at least one biasing device to apply current and / or voltage to the electrodes. The application device may be, for example, a voltage source and / or a current source. In particular, a constant current source can be provided as the application device. The loading device may in particular comprise electrical lines. For example, the loading device can in particular at least two heater leads 188 , in particular for the supply of the heating element 128 with electrical voltage and / or electrical current, and / or a reference electrode lead 140 and / or an internal electrode lead 142 and / or an external pump electrode lead 144 include. Furthermore, the control unit 112 optionally comprise at least one measuring device, for example at least one voltage measuring device and / or at least one current measuring device. The measuring device is Optionally each set up, a voltage or a current, for example, one between the first and second electrode 116 . 118 to measure applied voltage time-resolved, or for example one between the first and second electrode 116 . 118 So through the pump cell 3 to measure flowing current time-resolved.

4 zeigt beispielhaft einen schematischen Aufbau einer Breitband-Lambdasonde. Der Gassensor 1 kann insbesondere ein Gaszutrittsloch 129 umfassen. Beispielsweise kann ein Diffusionsweg des Gases, insbesondere der Gaskomponente des Gases, beispielsweise Sauerstoff, von dem Gaszutrittsloch 129 durch die Diffusionsbarriere 120, insbesondere durch die poröse Diffusionsbarriere 120, zu der zweiten Elektrode 118, insbesondere der Innenpumpelektrode, in den Hohlraum 130 führen, in dem die zweite Elektrode der ersten elektrochemischen Zelle und/oder die zweite Elektrode der zweiten elektrochemischen Zelle angeordnet ist. Der Festelektrolyt 124 kann, insbesondere ganz oder überwiegend, aus teil- oder vollstabilisiertem Zirkonoxid bestehen, die Elektroden 116, 118, 136, 138 können, insbesondere ganz oder überwiegend, aus einem Cermet, beispielsweise aus einem Platin und teil- oder vollstabilisiertes Zirkonoxid aufweisenden Cermet, bestehen. 4 shows an example of a schematic structure of a broadband lambda probe. The gas sensor 1 in particular, a gas access hole 129 include. For example, a diffusion path of the gas, particularly the gas component of the gas, for example oxygen, may be from the gas inlet hole 129 through the diffusion barrier 120 , in particular through the porous diffusion barrier 120 , to the second electrode 118 , in particular the inner pumping electrode, into the cavity 130 lead, in which the second electrode of the first electrochemical cell and / or the second electrode of the second electrochemical cell is arranged. The solid electrolyte 124 may, in particular wholly or predominantly, consist of partially or fully stabilized zirconia, the electrodes 116 . 118 . 136 . 138 may, in particular wholly or predominantly, from a cermet, for example, a platinum and partially or fully stabilized zirconia having cermet exist.

Zur Erläuterung des zweiten Ausführungsbeispiels kann auf die 2 und 3 verwiesen werden: In einer ersten Phase I des Aufheizens erfolgt beispielsweise ein Aufheizen des Sensors 1 mit einer Temperatur T_I als Regelziel. Die Temperatur T_I ist hierbei beispielsweise so gewählt, dass sie einerseits hoch genug ist, um zu gewährleisten, dass an der zweiten elektrochemischen Zelle 4 eine Nernstspannung U_N gemäß der Differenz der Sauerstoffkonzentration an den Elektroden 138, 136 der zweiten elektrochemischen Zelle 4 und auftritt. Andererseits ist die Temperatur T_I aber auch so niedrig gewählt, dass die Gefahr einer Beschädigung des Sensors 1 gering ist, selbst wenn der Sensor 1 von Wasser in flüssiger Form, das zu diesem Zeitpunkt noch im Abgastrakt einer Brennkraftmaschine vorzufinden sein könnte, in gewissem Umfang getroffen werden sollte. Grundsätzlich kann es sich dabei um eine Temperatur im Bereich von 200°C bis 600°C handeln. Der Temperaturbereich von 200°C bis 300°C ist hinsichtlich einer schnellen Erreichbarkeit und hohen Betriebssicherheit besonders günstig, während ein Bereich von 400°C bis 600°C hinsichtlich einer hohen Messfunktionalität, insbesondere einer hohen Dynamik, günstig ist. Als ein bevorzugter Kompromiss zwischen den unterschiedlichen Anforderungen kann ein Temperaturbereich von 300°C bis 400°C angesehen werden. To explain the second embodiment may be to the 2 and 3 In a first phase I of heating, for example, a heating of the sensor takes place 1 with a temperature T _I as the control target. The temperature T _I is chosen, for example, such that on the one hand it is high enough to ensure that the second electrochemical cell 4 a Nernst voltage U _N according to the difference of the oxygen concentration at the electrodes 138 . 136 the second electrochemical cell 4 and occurs. On the other hand, the temperature T _I but also chosen so low that the risk of damage to the sensor 1 is low, even if the sensor 1 Of water in liquid form, which could still be found in the exhaust tract of an internal combustion engine at this time, should be taken to some extent. Basically, this may be a temperature in the range of 200 ° C to 600 ° C. The temperature range of 200 ° C to 300 ° C is particularly favorable in terms of quick accessibility and high reliability, while a range of 400 ° C to 600 ° C in terms of high measurement functionality, in particular a high dynamic, low. As a preferred compromise between the different requirements, a temperature range of 300 ° C to 400 ° C can be considered.

Das Aufheizen des Sensors 1 in dieser Phase kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass an dem Heizelement 128 eine Spannung von beispielsweise 12V anliegt wird, so dass entsprechend dem elektrischen Widerstand des Heizelements 128 eine Heizleistung resultiert. Das Aufheizen des Sensors 1 in dieser Phase kann beispielsweise mit einer Aufheizrate erfolgen, die zwischen 100K/s und 400K/s liegt. Ausgehend von einem kalten Sensor 1 (0°C) ist somit die Temperatur T_I innerhalb einer Zeit von 0,5s bis 6s erreichbar. Heating the sensor 1 In this phase can be done, for example, that on the heating element 128 a voltage of, for example 12V is applied, so that according to the electrical resistance of the heating element 128 a heating power results. Heating the sensor 1 In this phase, for example, can be done with a heating rate, which is between 100K / s and 400K / s. Starting from a cold sensor 1 (0 ° C) is thus the temperature T _{I reach} within a time of 0.5s to 6s.

In einer der ersten Phase I nachfolgenden zweiten Phase II erfolgt ein hier als Interimsbetrieb IB des Sensors 1 bezeichneter Betrieb des Sensors 1, bei dem der Nachweis der Gaskomponente durch Auswertung der an der zweiten elektrochemischen Zelle 4 anliegenden Nernstspannung U_N erfolgt und bei dem der Sensor mit einer Aufheizrate und/oder Heizleistung beheizt wird, die geringer ist als in der ersten Phase. In one of the first phase I subsequent second phase II takes place here as interim operation IB of the sensor 1 designated operation of the sensor 1 in which the detection of the gas component by evaluation at the second electrochemical cell 4 applied Nernst voltage U _N and in which the sensor is heated at a heating rate and / or heating power, which is lower than in the first phase.

Im vorliegenden Beispiel wird die Temperatur des Sensors 1 in dieser zweiten Phase II wie oben beschrieben und beispielsweise mit einer Bandbreite von 20 Hz auf den Wert T_I geregelt und ist damit zumindest gemittelt über die inverse Regelbandbreite und/oder zumindest gemittelt über die Signalzykluszeit der pulsweitenmodulierten Ansteuerung des Heizelements 128, weitgehend konstant. Auch die Heizleistung ist zumindest gemittelt über die inverse Regelbandbreite und/oder zumindest gemittelt über die Signalzykluszeit der pulsweitenmodulierten Ansteuerung des Heizelements 128, im Vergleich zu Phase I vermindert, beispielsweise auf einen Wert von 10% bis 30% der Heizleistung in der ersten Phase I. In the present example, the temperature of the sensor 1 in this second phase II as described above and regulated, for example, with a bandwidth of 20 Hz to the value T _I and is thus at least averaged over the inverse control bandwidth and / or at least averaged over the Signal cycle time of the pulse width modulated control of the heating element 128 , largely constant. The heating power is also at least averaged over the inverse control bandwidth and / or at least averaged over the signal cycle time of the pulse width modulated control of the heating element 128 , reduced compared to phase I, for example, to a value of 10% to 30% of the heating power in the first phase I.

Es ist beispielsweise vorgesehen, dass der Interimsbetrieb IB 0,5 bis 10 Sekunden, bevorzugt 2 bis 5 Sekunden, ohne Unterbrechung erfolgt und/oder solange fortgesetzt wird, bis eine rasche weitere Aufheizung des Sensors 1 gefahrlos möglich ist, beispielsweise bis zu einem Zeitpunkt, zu dem sicher davon ausgegangen wird, dass ein Auftreffen von Wasser in flüssiger Form auf dem Sensor nicht mehr oder nur noch in tolerierbarem Maße zu erwarten ist. It is provided, for example, that the interim operation IB 0.5 to 10 seconds, preferably 2 to 5 seconds, takes place without interruption and / or continues until a rapid further heating of the sensor 1 is safely possible, for example, up to a time when it is safely assumed that an impact of water in liquid form on the sensor is no longer or only to a tolerable extent expected.

Das Abgreifen der Nernstspannung U_N zwischen den Elektroden 138, 136 der zweiten elektrochemischen Zelle 4 kann einerseits rein passiv durch eine Spannungsmesseinrichtung erfolgen. Nachteilig ist hieran jedoch, dass sich im Fall, in dem der Sauerstoffgehalt im Messgasraum 2 bzw. im Hohlraum 130 ähnlich dem Sauerstoffgehalt im Referenzraum 126 ist, keine von Null verschiedene Nernstspannung U_N ausbildet und somit von der Spannung die zwischen den Elektroden 118, 138, 136 der zweiten elektrochemischen Zelle 4 bei ungenügend beheiztem, zum Beispiel kaltem, Sensor 1, nicht unterschieden werden kann.Tapping the Nernst voltage U _N between the electrodes 138 . 136 the second electrochemical cell 4 On the one hand, it can be done purely passively by means of a tension measuring device. The disadvantage of this, however, is that in the case where the oxygen content in the sample gas space 2 or in the cavity 130 similar to the oxygen content in the reference space 126 is no non-zero Nernst voltage U _N and thus the voltage between the electrodes 118 . 138 . 136 the second electrochemical cell 4 with insufficiently heated, for example, cold, sensor 1 , can not be distinguished.

Eine bevorzugte Alternative zum Messen der Nernstspannung U_N zwischen den Elektroden 138, 136 der zweiten elektrochemischen Zelle 4 ist in 3 anhand eines Schaltbildes dargestellt. Die Elektroden 138, 136 der zweiten elektrochemischen Zelle 4 werden hochohmig im Vergleich zum Innenwiderstand Rz der zweiten elektrochemischen Zelle 3, beispielsweise mit einem Vorwiderstand Rv von 1kOhm bis 100 kOhm, insbesondere Rv=10 kOhm, und mit einer Spannung Uv beaufschlagt die im Bereich zwischen 0V und einer maximal erwarteten Nernstspannung (z.B. 900mV), liegt und beispielsweise 450 mV beträgt. A preferred alternative for measuring the Nernst voltage U _N between the electrodes 138 . 136 the second electrochemical cell 4 is in 3 illustrated by a circuit diagram. The electrodes 138 . 136 the second electrochemical cell 4 become high impedance compared to the internal resistance Rz of the second electrochemical cell 3 , For example, with a series resistor Rv of 1kOhm to 100 kOhm, in particular Rv = 10 kOhm, and with a voltage Uv applied in the range between 0V and a maximum expected Nernstspannung (eg 900mV), and is for example 450 mV.

Im Ergebnis ist an der zweiten elektrochemischen Zelle 4 eine Spannung abgreifbar, die bei ungenügend beheiztem, zum Beispiel kaltem, Sensor 1 der angelegten Spannung Uv entspricht, in dem Fall, in dem der Sauerstoffgehalt im Messgasraum 2 bzw. im Hohlraum 130 ähnlich dem Sauerstoffgehalt im Referenzraum 126 ist, einen Wert von 0V annimmt, und in dem Fall, in dem der Sauerstoffgehalt im Messgasraum 2 bzw. im Hohlraum 130 wesentlich geringer als im Referenzraum 126 ist, einen hohen Wert von beispielsweise 900mV liefert. Es entsteht insbesondere der Vorteil, dass der Fall in dem der Sauerstoffgehalt im Messgasraum 2 bzw. im Hohlraum 130 ähnlich dem Sauerstoffgehalt im Referenzraum 126 ist, von dem Fall eines ungenügend beheiztem, zum Beispiel kalten, Sensors 1 unterschieden werden kann. The result is at the second electrochemical cell 4 a voltage can be tapped off, the insufficiently heated, for example, cold, sensor 1 the applied voltage Uv corresponds, in the case where the oxygen content in the sample gas space 2 or in the cavity 130 similar to the oxygen content in the reference space 126 is, assumes a value of 0V, and in the case where the oxygen content in the sample gas space 2 or in the cavity 130 much lower than in the reference room 126 is, for example, a high value of 900mV. In particular, there is the advantage that the case in which the oxygen content in the sample gas space 2 or in the cavity 130 similar to the oxygen content in the reference space 126 is, in the case of insufficiently heated, for example, cold, sensor 1 can be distinguished.

In einer der zweiten Phase II nachfolgenden dritten Phase III erfolgt ein weiteres Aufheizen des Sensors 1 auf seine Betriebstemperatur T_B, bei der in diesem Beispiel eine hohe Leitfähigkeit der ersten elektrochemischen Zelle 3 für Sauerstoffionen gegeben ist, in diesem Beispiel 780°C. Auch andere Betriebstemperaturen T_B, beispielsweise in einem Temperaturbereich von 650°C bis 900°C, bevorzugt in einem Temperaturbereich von 725°C bis 835°C sind grundsätzlich möglich. In Phase III ist die Betriebstemperatur T_B ausgehend von der in der zweiten Phase erreichten Temperatur vorzugsweise innerhalb einer Zeit von 0,5s bis 6s erreichbar.In a third phase III following the second phase II, a further heating of the sensor takes place 1 to its operating temperature T _B , in this example, a high conductivity of the first electrochemical cell 3 for oxygen ions, in this example 780 ° C. Other operating temperatures T _B , for example in a temperature range of 650 ° C to 900 ° C, preferably in a temperature range of 725 ° C to 835 ° C are basically possible. In phase III, the operating temperature T _B, starting from the temperature reached in the second phase, can preferably be reached within a time of 0.5 s to 6 s.

Es ist vorgesehen, dass in dieser dritten Phase III mit einer Aufheizrate und/oder Heizleistung beheizt wird, die im Vergleich zur zweiten Phase II erhöht ist, beispielsweise auf Werte der Aufheizrate und/oder der Heizleistung, die in den für die erste Phase I angegebenen Bereichen liegen. In vielen Fällen ist die Aufheizrate und die Heizleistung des Sensors 1 der dritten Phase III im Vergleich zur ersten Phase I, also bei höheren Temperaturen aufgrund der höheren Wärmeverluste und eines eventuell erhöhten elektrischen Widerstand des Heizelements 128 vermindert. It is envisaged that in this third phase III with a heating rate and / or heating power is heated, which is increased compared to the second phase II, for example, on the heating rate and / or the heating power, in the specified for the first phase I. Areas lie. In many cases, the heating rate and the heating power of the sensor 1 the third phase III compared to the first phase I, ie at higher temperatures due to the higher heat losses and a possibly increased electrical resistance of the heating element 128 reduced.

In einer der dritten Phase III nachfolgenden vierten Phase IV erfolgt ein Betrieb des Sensors 1 als Breitband-Lambdasensor. Zu diesem Zweck wird beispielsweise die an der zweiten elektrochemischen Zelle 4 anliegende und abgegriffene Nernstspannung U_N auf einen vorgegebenen Wert, beispielsweise auf 450mV, geregelt. Dies geschieht insbesondere, indem dem Hohlraum 130 mittels Anlegen einer insbesondere zeitlich variablen Pumpspannung U_P an die erste elektrochemische Zelle 3 Sauerstoff entnommen bzw. zugeführt wird. Der resultierende Pumpstrom I_P wird als Maß für den Sauerstoffpartialdruck im Messgasraum 2 verwendet.In a fourth phase IV following the third phase III, the sensor is operated 1 as a broadband lambda sensor. For this purpose, for example, at the second electrochemical cell 4 adjacent and tapped Nernst voltage U _N to a predetermined value, for example, to 450mV regulated. This happens in particular by the cavity 130 by applying a particular time-variable pump voltage U _P to the first electrochemical cell 3 Oxygen is removed or supplied. The resulting pumping current I _P is a measure of the oxygen partial pressure in the sample gas space 2 used.

Der Wechsel von der im Zusammenhang mit dem Interimsbetrieb IB in der zweiten Phase II diskutierten zweiten Betriebsart BA₂, die die Auswertung einer Nernstspannung vorsieht, zu der im Zusammenhang mit der vierten Phase IV diskutierten ersten Betriebsart BA₁ kann beispielsweise nach Erreichen der Betriebstemperatur T_B bei Übergang von der dritten Phase III zur vierten Phase erfolgen. Alternativ ist es auch möglich, dass dieser Wechsel bereits vor Erreichen der Betriebstemperatur T_B, zum Beispiel bereits kurz vor Erreichen der Betriebstemperatur T_B, erfolgt.The change from the one related to the Interimbetrieb IB in the second phase II discussed second mode BA ₂ , which provides the evaluation of a Nernst voltage to the discussed in connection with the fourth phase IV first mode BA ₁ can be done for example after reaching the operating temperature T _B at the transition from the third phase III to the fourth phase. Alternatively, it is also possible for this change to occur even before the operating temperature T _{B has been reached} , for example already shortly before the operating temperature T _B is reached.

Ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung 112 ist in 5 gezeigt und unterscheidet sich von dem zweiten Ausführungsbeispiel dadurch, dass der Sensor eine dritte elektrochemische Zelle 5 aufweist, mit einer ersten Elektrode 156 und einer zweiten Elektrode 157, wobei diese dritte elektrochemische Zelle 5 als Nernstzelle beschaltet ist. In diesem Beispiel ist die ersten Elektrode 156 der dritten elektrochemischen Zelle 5 mit der ersten Elektrode 116 der ersten elektrochemischen Zelle 3 identisch, die ersten Elektrode 156 der dritten elektrochemischen Zelle 5 könnte jedoch auch als eine separate, auf der Außenseite des Sensors 1 angeordnete und dem Messgas ausgesetzte Elektrode ausgebildet sein. Ferner ist die zweite Elektrode 157 der dritten elektrochemischen Zelle 5 mit der ersten Elektrode 136 der zweiten elektrochemischen Zelle 4 identisch, die zweite Elektrode 157 der dritten elektrochemischen Zelle 5 könnte jedoch auch als eine separate, in einem Referenzraum 126 des Sensors 1 angeordnete und einem Referenzgas ausgesetzte Elektrode ausgebildet sein.A third embodiment of a sensor device according to the invention 112 is in 5 and differs from the second embodiment in that the sensor has a third electrochemical cell 5 comprising, with a first electrode 156 and a second electrode 157 , this third electrochemical cell 5 is connected as a Nernst cell. In this example, the first electrode is 156 the third electrochemical cell 5 with the first electrode 116 the first electrochemical cell 3 identical, the first electrode 156 the third electrochemical cell 5 However, it could also act as a separate, on the outside of the sensor 1 be arranged and exposed to the sample gas electrode formed. Further, the second electrode 157 the third electrochemical cell 5 with the first electrode 136 the second electrochemical cell 4 identical, the second electrode 157 the third electrochemical cell 5 however, could also be considered a separate, in a reference space 126 of the sensor 1 arranged and exposed to a reference gas electrode may be formed.

Das dritte Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahren unterscheidet sich von dem zweiten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahren dadurch, dass in der zweiten Betriebsart BA₂, also während des Interimsbetriebs IB, nicht die Nernstspannung U_N zwischen den Elektroden 136, 138 der zweiten elektrochemischen Zelle 4 abgegriffen wird, sondern in dieser Phase die Nernstspannung U_N zwischen den Elektroden 156, 157 der dritten elektrochemischen Zelle 5 abgegriffen wird. Die erste Elektrode 156 der dritten elektrochemischen Zelle 5 ist im Unterschied zur zweiten Elektrode 138 der zweiten elektrochemischen Zelle 4 dem Messgas unmittelbarer ausgesetzt. Das dritte Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens hat folglich gegenüber dem zweiten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens den Vorteil, dass das Sensorsignal während des Interimsbetriebs IB Schwankungen der Messgaszusammensetzung rascher folgen kann.The third exemplary embodiment of the method differs from the second exemplary embodiment of the method according to the invention in that, in the second operating mode BA ₂ , that is to say during the interim operation IB, the Nernst voltage U _N between the electrodes does not differ 136 . 138 the second electrochemical cell 4 is tapped, but in this phase, the Nernst voltage U _N between the electrodes 156 . 157 the third electrochemical cell 5 is tapped. The first electrode 156 the third electrochemical cell 5 is different from the second electrode 138 the second electrochemical cell 4 exposed directly to the sample gas. Consequently, the third exemplary embodiment of the method according to the invention has the advantage over the second exemplary embodiment of the method according to the invention that the sensor signal can follow fluctuations in the measurement gas composition more rapidly during the interim operation IB.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 10031474 A1 [0002]

Claims

Method for operating a sensor ( 1 ) for detecting a gas component, in particular an electrochemical exhaust gas sensor for an internal combustion engine, for example an oxygen sensor, the method comprising heating the sensor ( 1 ) to an operating temperature (T _B ) and the subsequent detection of the gas component in a first operating mode (BA ₁ ), characterized in that at least temporarily during the heating of the sensor ( 1 ) an interim operation (IB) of the sensor ( 1 ) during which the detection of the gas component takes place in a second operating mode (BA ₂ ) and the sensor ( 1 ) is heated with a reduced heating rate and / or heating power.

Method according to claim 1, wherein the sensor ( 1 ) a first electrochemical cell ( 3 ), wherein the first operating mode (BA ₁ ) detects the detection of a limiting current (I _G ) of the first electrochemical cell ( 3 ).

Method according to claim 2, wherein the second operating mode (BA ₂ ) detects the detection of a pulse at the first electrochemical cell (BA ₂ ). 3 ) provides adjacent Nernst voltage (U _N ).

Method according to claim 1, wherein the sensor ( 1 ) a first electrochemical cell ( 3 ), and a second electrochemical cell ( 4 ), wherein the second mode (BA ₂ ) detects the detection of a at the second electrochemical cell ( 4 ) Nernst voltage (U _N ) provides and the first mode (BA ₁ ) beyond the Einregeln a particular constant concentration of the detected gas component in a cavity ( 130 ) inside the sensor ( 1 ), this concentration being determined by means of the second electrochemical cell ( 4 ) and detected by the first electrochemical cell ( 3 ), wherein the detection of the gas component by the size of the current through the first electrochemical cell ( 3 ) is derived.

Method according to one of claim 1, wherein the sensor ( 1 ) a first electrochemical cell ( 3 ), and a second electrochemical cell ( 4 ) and a third electrochemical cell ( 5 ), wherein the second mode (BA ₂ ) detects the detection of a at the third electrochemical cell ( 5 Nernst voltage (U _N ) and the first operating mode (BA ₁ ), the detection of a second electrochemical cell ( 4 ) provides adjacent Nernst voltage (U _N ) and beyond the Einregeln a particular constant concentration of the detected gas component in a cavity ( 130 ) inside the sensor ( 1 ), this concentration being determined by means of the second electrochemical cell ( 4 ) and detected by the first electrochemical cell ( 3 ), wherein the detection of the gas component by the size of the current through the first electrochemical cell ( 3 ) is derived.

Method according to one of claims 2 to 5, characterized in that the operating temperature (T _B ) is in a temperature range in which within the first electrochemical cell ( 3 ) is a conductivity for the ions of the gas component to be detected, in particular in a temperature range of 650 ° C to 900 ° C, preferably in a temperature range of 740 ° C to 850 ° C.

Method according to one of claims 2 to 6, characterized in that the interim operation of the sensor ( 1 ) at a temperature (T _I ) of the sensor ( 1 ), which is located in a temperature range in which within the first electrochemical cell ( 3 ) has not yet formed a conductivity for the ions of the gas component to be detected, at the first or second or third electrochemical cell ( 3 . 4 . 5 ) but already resulting from the displacement of the ions of the gas component to be detected voltage, in particular Nernstspannung occurs, in particular a temperature range below the operating temperature (T _B ), in particular a temperature range of 200 ° C to 600 ° C, preferably a temperature range of 300 ° C to 400 ° C.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the method comprises the detection of the temperature of the sensor ( 1 ) by evaluating an electrical impedance of an electrochemical cell ( 3 . 4 ) or by evaluation of a sensor signal, for example a Nernst voltage, provides.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the method of controlling or controlling the temperature of the sensor ( 1 ) to the operating temperature (T _B ).

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the method in interim mode (IB) the regulation or control of the temperature of the sensor ( 1 ) to an at least substantially constant value, which is in particular 200K to 600K, preferably 300K to 400K below the operating temperature (T _B ) of the sensor.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the heating rate and / or heating power during Interimsbetriebs (IB) is less than immediately before and after Interimsbetrieb (IB).

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the interim mode (IB) is provided for 0.5 to 10 seconds, preferably 2 to 5 seconds, continuously.

Control unit ( 112 ), characterized in that it is arranged to carry out the method according to one of claims 1 to 11.

Sensor device ( 110 ), comprising a control device according to claim 13 and a sensor ( 1 ), in particular an associated electrochemical exhaust gas sensor.

Method for operating a sensor ( 1 ) for detecting a gas component, in particular an electrochemical exhaust gas sensor for an internal combustion engine, for example an oxygen sensor, the method comprising heating the sensor 1 to an operating temperature (T _B ) and the subsequent detection of the gas component in a first mode (BA ₁ ), which includes a limiting current measurement, provides, at least temporarily during the heating of the sensor 1 an interim operation (IB) of the sensor 1 is provided, during which the detection of the gas component in a second operating mode (BA ₂ ), which comprises the measurement of a Nernst voltage U _N , is carried out, characterized in that the limiting current measurement of the first mode (BA ₁ ) and the Nernstspannungsmessung the second mode ( BA ₂ ) with a correspondingly connected first electrochemical cell ( 3 ) he follows.

Control unit ( 112 ), characterized in that it is arranged to carry out the method according to claim 15.

Sensor device ( 110 ), comprising a control unit ( 112 ) according to claim 16 and a sensor ( 1 ), in particular an electrochemical exhaust gas sensor, which has exactly one electrochemical cell ( 3 ) having.