DE102021213479A1

DE102021213479A1 - Method for operating a sensor for determining at least a proportion of a gas in a measurement gas space

Info

Publication number: DE102021213479A1
Application number: DE102021213479.3A
Authority: DE
Inventors: Reinhard Hein; Moritz Waldorf
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-11-30
Filing date: 2021-11-30
Publication date: 2023-06-01

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Betreiben eines Sensors (100) zum Bestimmen mindestens eines Anteils eines Gases in einem Messgasraum vorgeschlagen. Der Sensor (100) weist ein Sensorelement (110) auf, wobei das Sensorelement (110) mindestens eine Pumpzelle (112, 140) mit wenigstens zwei durch mindestens einen Festelektrolyten miteinander verbundenen Pumpelektroden (114, 116, 142, 144) aufweist, wobei eine erste Pumpelektrode (114, 142) dem Gas aussetzbar und eine zweite Pumpelektrode (116, 144) durch mindestens eine poröse Diffusionsbarriere (128) von dem Gas getrennt und in einem Hohlraum (126) in dem Festelektrolyten (117) angeordnet ist. Das Verfahren umfasst Ermitteln eines Messsignals (154), das den Anteil des Gases anzeigt, basierend auf einem Pumpstrom der Pumpzelle (112, 140), Bestimmen einer Kompensationsgröße (158, 160, 166) mittels einer Signalverarbeitung (152), wobei die Kompensationsgröße (158, 160, 166) zumindest teilweise abhängig ist von einer Einbauposition des Sensors (100) und/oder von einer Belastungssituation des Sensors (100), Bestimmen mindestens eines korrigierten Messsignals (164) aus dem Messsignal (154) und der Kompensationsgröße (158, 160, 166), und Bestimmen des Anteils des Gases aus dem korrigierten Messsignal (164).A method for operating a sensor (100) for determining at least a proportion of a gas in a measurement gas space is proposed. The sensor (100) has a sensor element (110), the sensor element (110) having at least one pump cell (112, 140) with at least two pump electrodes (114, 116, 142, 144) connected to one another by at least one solid electrolyte, with one first pumping electrode (114, 142) can be exposed to the gas and a second pumping electrode (116, 144) is separated from the gas by at least one porous diffusion barrier (128) and is arranged in a cavity (126) in the solid electrolyte (117). The method includes determining a measurement signal (154) that indicates the proportion of gas based on a pump current of the pump cell (112, 140), determining a compensation variable (158, 160, 166) by means of signal processing (152), the compensation variable ( 158, 160, 166) is at least partially dependent on an installation position of the sensor (100) and/or on a load situation of the sensor (100), determining at least one corrected measurement signal (164) from the measurement signal (154) and the compensation variable (158, 160, 166), and determining the proportion of the gas from the corrected measurement signal (164).

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung wird im Folgenden, ohne Beschränkung weiterer möglicher Ausgestaltungen, im Wesentlichen unter Bezugnahme auf Verfahren und Vorrichtungen beschrieben, welche zur quantitativen und/oder qualitativen Erfassung mindestens eines Anteils eines Gases in einem Messgasraum dienen.The invention is described below, without restricting further possible configurations, essentially with reference to methods and devices which are used for the quantitative and/or qualitative detection of at least a portion of a gas in a measurement gas space.

Beispielsweise kann es sich bei dem Gas um ein Abgas einer Brennkraftmaschine handeln, insbesondere im Kraftfahrzeugbereich. Bei dem Messgasraum kann es sich beispielsweise um einen Abgastrakt handeln. Bei dem Sensorelement kann es sich hierbei beispielsweise um eine Lambdasonde, insbesondere um eine Breitband-Lambdasonde, handeln. Lambdasonden sind beispielsweise in Robert Bosch GmbH: Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Auflage 2010, Seiten 160-165, beschrieben.For example, the gas can be an exhaust gas from an internal combustion engine, particularly in the motor vehicle sector. The measurement gas space can be an exhaust tract, for example. The sensor element can be, for example, a lambda probe, in particular a broadband lambda probe. Lambda sensors are described, for example, in Robert Bosch GmbH: Sensors in motor vehicles, 1st edition 2010, pages 160-165.

Bei dem Anteil des Gases kann es sich beispielsweise um eine Zielgaskomponente, beispielsweise um Sauerstoff und/oder Stickstoff und/oder Stickoxide und/oder Kohlenwasserstoffe und/oder andere Arten von Gaskomponenten handeln. Prinzipiell kann es sich bei dem Sensorelement auch um einen anderen Sensor handeln, beispielsweise einen NOx-Sensor. Sensorelemente der genannten Art können insbesondere auf der Verwendung eines oder mehrerer Festelektrolyte basieren, also auf der Verwendung von Festkörpern, insbesondere keramischen Festkörpern, welche ionenleitende, insbesondere sauerstoffionenleitende, Eigenschaften aufweisen. Beispiele derartiger Festelektrolyte sind auf Zirkoniumdioxid basierende Festelektrolyte, wie beispielsweise Yttrium-stabilisiertes Zirkoniumdioxid (YSZ) und/oder Scandium-dotiertes Zirkoniumdioxid (ScSZ). Bei Lambdasonden, insbesondere bei Breitband-Lambdasonden, kann eine in einen Messhohlraum eindiffundierende Menge an Sauerstoff (O₂) und/oder Fettgas beispielsweise anhand eines Grenzstroms, insbesondere bei Einzellern, und/oder anhand eines zu einer Regelung einer Hohlraumkonzentration auf λ = 1 notwendigen Pumpstroms, insbesondere bei Doppelzellern, gemessen werden. Beispielsweise kann ein fließender Messstrom proportional zu einem O₂-Gehalt und/oder zu einem Fettgas-Gehalt in einem Abgas sein. Eine Messung der Hohlraumkonzentration kann anhand einer Bestimmung einer Nernstspannung zwischen einer Nernstelektrode in dem Hohlraum und einer sauerstoffbespülten und/oder luftbespülten Referenzelektrode in einem Referenzraum erfolgen. Aus einem linearen Zusammenhang des Grenzstroms mit einem Sauerstoffpartialdruck kann eine Messung des Sauerstoffpartialdrucks in dem Abgas durchgeführt werden.The proportion of the gas can be, for example, a target gas component, for example oxygen and/or nitrogen and/or nitrogen oxides and/or hydrocarbons and/or other types of gas components. In principle, the sensor element can also be another sensor, for example an NOx sensor. Sensor elements of the type mentioned can in particular be based on the use of one or more solid electrolytes, ie on the use of solid bodies, in particular ceramic solid bodies, which have ion-conducting, in particular oxygen-ion-conducting, properties. Examples of such solid electrolytes are zirconia-based solid electrolytes, such as yttrium-stabilized zirconia (YSZ) and/or scandium-doped zirconia (ScSZ). In the case of lambda probes, in particular in the case of broadband lambda probes, a quantity of oxygen (O ₂ ) and/or fat gas diffusing into a measurement cavity can be determined, for example, using a limit current, in particular in the case of unicellular organisms, and/or using a quantity necessary for regulating a cavity concentration to λ=1 Pump current, especially in double cells, are measured. For example, a flowing measurement current can be proportional to an O ₂ content and/or to a rich gas content in an exhaust gas. The cavity concentration can be measured by determining a Nernst voltage between a Nernst electrode in the cavity and an oxygen-flushed and/or air-flushed reference electrode in a reference space. A measurement of the oxygen partial pressure in the exhaust gas can be carried out from a linear relationship between the limiting current and an oxygen partial pressure.

Bekannt sind weiterhin Sensoren zum Nachweis mindestens eines Anteils der Messgaskomponente mit gebundenem Sauerstoff in einem Gasgemisch, insbesondere in einem Abgas einer Verbrennungskraftmaschine, durch Erfassen eines Anteils an Sauerstoff, der durch eine Reduktion der Messgaskomponente mit dem gebundenem Sauerstoff erzeugt wird, bei Anwesenheit von molekularem Sauerstoff.Also known are sensors for detecting at least a proportion of the measurement gas component with bound oxygen in a gas mixture, in particular in an exhaust gas from an internal combustion engine, by detecting a proportion of oxygen that is generated by reducing the measurement gas component with the bound oxygen when molecular oxygen is present .

Sensoren zum Nachweis mindestens eines Anteils der Messgaskomponente mit gebundenem Sauerstoff in einem Gasgemisch, die auch verkürzt oder vereinfacht NO_x-Sensoren oder Stickoxid-Sensoren bezeichnet werden, sind beispielsweise in Reif, K., Deitsche, K-H. et al., Kraftfahrtechnisches Taschenbuch, Springer Vieweg, Wiesbaden, 2014, Seite 1338-1347 beschrieben.Sensors for detecting at least a proportion of the measurement gas component with bound oxygen in a gas mixture, which are also abbreviated or simply referred to as NO _x sensors or nitrogen oxide sensors, are described, for example, in Reif, K., Deitsche, KH. et al., Kraftfahrtechnisches Taschenbuch, Springer Vieweg, Wiesbaden, 2014, pages 1338-1347.

Stickoxid-Sensoren (= NO_x-Sensoren), die heutzutage in der Automobiltechnik eingesetzt werden, funktionieren nach dem Grenzstromprinzip, analog zu Sauerstoff-Sensoren, wie beispielsweise Lambda Sensoren. Ein solcher Stickoxid-Sensor umfasst eine Nernst-Konzentrationszelle, die auch Referenzzelle genannt wird, eine modifizierte Sauerstoffpumpzelle und eine weitere modifizierte Sauerstoffpumpzelle, die die sogenannte NO_x-Zelle. Eine dem Abgas ausgesetzte äußere Pumpelektrode und eine innere Pumpelektrode in einem ersten Hohlraum, der vom Abgas durch eine Diffusionsbarriere getrennt ist, bilden die Sauerstoffpumpzelle. Im ersten Hohlraum befindet sich auch die Nernstelektrode und in einem Referenzgasraum die Referenzelektrode, die zusammen die Nernstzelle bzw. Referenzzelle bilden. Die NO_x-Zelle umfasst eine NO_x-Pumpelektrode und eine Gegenelektrode. Die NO_x-Pumpelektrode befindet sich einem zweiten Hohlraum, der mit dem ersten inneren Hohlraum verbunden und von diesem durch eine Diffusionsbarriere getrennt ist. Die Gegenelektrode befindet sich in dem Referenzgasraum. Alle Elektroden in dem ersten und zweiten Hohlraum haben einen gemeinsamen Rückleiter.Nitrogen oxide sensors (=NO _x sensors), which are used today in automotive engineering, function according to the limiting current principle, analogously to oxygen sensors, such as lambda sensors. Such a nitrogen oxide sensor includes a Nernst concentration cell, which is also referred to as a reference cell, a modified oxygen pump cell and a further modified oxygen pump cell, known as the NO _x cell. An outer pumping electrode exposed to the exhaust gas and an inner pumping electrode in a first cavity separated from the exhaust gas by a diffusion barrier form the oxygen pumping cell. The Nernst electrode is also located in the first cavity and the reference electrode is located in a reference gas space, which together form the Nernst cell or reference cell. The NO _x cell includes a NO _x pumping electrode and a counter electrode. The _NOx pumping electrode is located in a second cavity connected to the first inner cavity and separated therefrom by a diffusion barrier. The counter electrode is located in the reference gas space. All electrodes in the first and second cavities have a common return conductor.

Bei Betrieb des Stickoxid-Sensors wird aus der sogenannten O2-Zelle der Sauerstoff aus dem ersten Hohlraum, der über eine Diffusionsbarriere mit dem Abgas verbunden ist, entfernt. Der dadurch resultierende Pumpstrom ist dann proportional zum Sauerstoffgehalt im Messgas- bzw. Abgasstrom. In der NO_x-Zelle werden die Stickoxide abgepumpt. Das Stickoxid NO_x, in der in den zweiten Hohlraum befindlichen Atmosphäre, wird durch Anlegen einer konstanten Pumpspannung reduziert bzw. abgebaut. Der durch Reduktion oder Abbau der Messgaskomponente in dem zweiten Hohlraum erzeugte Sauerstoff, der vorzugsweise aus der Reduktion des Stickoxids NO_x stammt, wird in einen Referenzgasraum abgepumpt. So hat die angelegte Pumpspannung gegen den Widerstand der NO_x-Zelle und der Konzentration des Stickoxids NO_x bzw. Sauerstoffs einen Pumpstrom zur Folge, der proportional zum Gehalt an Stickoxid NO_x bzw. Sauerstoff ist und das NO_x-Messsignal darstellt.When the nitrogen oxide sensor is in operation, the oxygen is removed from the so-called O2 cell from the first cavity, which is connected to the exhaust gas via a diffusion barrier. The resulting pump current is then proportional to the oxygen content in the sample gas or exhaust gas flow. The nitrogen oxides are pumped out in the NO _x cell. The nitrogen oxide NO _x in the atmosphere in the second cavity is reduced or broken down by applying a constant pumping voltage. The oxygen produced by reducing or breaking down the measurement gas component in the second cavity, which preferably originates from the reduction of the nitrogen oxide NO _x , is pumped off into a reference gas space. So has the applied pump voltage against the resistance of the NO _x cell and the concentration of the nitrogen oxide NO _x or oxygen results in a pump current which is proportional to the content of nitrogen oxide NO _x or oxygen and represents the NO _x measurement signal.

In Systemen mit Verbrennungsmotor werden zur Einhaltung der Emissionsgrenzwerte komplexe Abgasnachbehandlungssysteme eingesetzt. Bei Dieselsystemen gehören mehrere Sensoren zur Messung der Sauerstoff- und Stickoxidkonzentration dazu. Insbesondere NOx-Sensoren, welche sowohl die O2- als auch die NOx-Konzentration gleichzeitig messen können. Diese Sensoren setzen sich typischerweise aus einem Sensorelement als Messfühler und einem Kleinsteuergerät (SCU) zusammen. Der Messfühler wandelt die O2- und NOx-Konzentrationen durch elektrochemische Prozesse in jeweils ein Stromsignal um. Die SCU berechnet aus den Stromsignalen die O2 -und NOx-Konzentrationen und sendet diese über eine CAN-Schnittstelle an das Motorsteuergerät (ECU).In systems with internal combustion engines, complex exhaust aftertreatment systems are used to comply with emission limits. In diesel systems, there are several sensors to measure the concentration of oxygen and nitrogen oxide. In particular NOx sensors, which can measure both the O2 and the NOx concentration at the same time. These sensors typically consist of a sensor element as a sensor and a small control unit (SCU). The sensor converts the O2 and NOx concentrations into a current signal using electrochemical processes. The SCU calculates the O2 and NOx concentrations from the current signals and sends them to the engine control unit (ECU) via a CAN interface.

Bekannt ist bereits, dass die Sensorelemente über die Lebensdauer an Messgenauigkeit verlieren. Die SCU verliert typischerweise wenig bis keine Messgenauigkeit über Lebensdauer.It is already known that the sensor elements lose measuring accuracy over their service life. The SCU typically loses little to no measurement accuracy over lifetime.

Trotz der Vorteile der aus dem Stand der Technik bekannten Sensoren und Verfahren zum Betreiben derselben, beinhalten diese noch Verbesserungspotenzial. So wird aktuell zur Genauigkeitsverbesserung in der SCU ein Betriebszeitzähler integriert. Der Betriebszeitzähler kann die Dauer, die der Sensor bereits betrieben wurde, mitloggen und im internen Speicher der SCU ablegen. In der SCU-Software läuft dann eine Kompensationsfunktion, die die Signalabsenkung über die Betriebszeit mithilfe einer Tabelle oder mathematischen Beschreibung kompensiert. Das Problem bei der aktuell verwendeten Alterungskompensation ist, dass nur ein allgemeines Alterungsverhalten, welches alle Sensoren zeigen, kompensiert werden kann. Die Bedatung der Funktion (die Werte in der Lookup Table) wird typischerweise anhand einer Dauerlauferprobung ermittelt. Der Mittelwert der Absenkung über alle Sensoren und Einbaupositionen wird zur Alterungskompensation verwendet. Diese Vorgehensweise ignoriert die Tatsache, dass die Sensoren nicht der gleichen Belastung ausgesetzt sind. Zum Beispiel sieht ein Sensor nahe am Motor, vor den Katalysatoren (Upstream) ein deutlich anderes, „aggressiveres“ Abgas mit höheren NOx-Konzentrationen, aber auch andere Belastung wie z.B. durch Temperaturniveau und Temperaturgradienten, als ein Sensor, der kurz vor dem Auspuff (Downstream) eingebaut ist. Dadurch hat ein Sensor in Upstream-Einbaupositionen dann auch eine andere Signalabsenkung über die Betriebszeit als ein Sensor Downstream. Entsprechend kommt es immer noch zu suboptimalen Kompensationen der Messsignale und somit zu ungenauen Messsignalen über die Lebensdauer der Sensoren.Despite the advantages of the sensors known from the prior art and methods for operating the same, these still contain potential for improvement. An operating time counter is currently being integrated in the SCU to improve accuracy. The operating time counter can log the length of time the sensor has already been operated and store it in the internal memory of the SCU. A compensation function then runs in the SCU software, which compensates for the signal reduction over the operating time using a table or mathematical description. The problem with the currently used aging compensation is that only a general aging behavior that all sensors show can be compensated. The parameterization of the function (the values in the lookup table) is typically determined using endurance testing. The mean value of the lowering across all sensors and installation positions is used for aging compensation. This approach ignores the fact that the sensors are not subjected to the same stress. For example, a sensor close to the engine, in front of the catalytic converters (upstream), sees a significantly different, more "aggressive" exhaust gas with higher NOx concentrations, but also different loads, such as from temperature levels and temperature gradients, than a sensor that is located just before the exhaust ( downstream) is installed. As a result, a sensor in upstream installation positions then also has a different signal reduction over the operating time than a downstream sensor. Accordingly, there are still suboptimal compensations of the measurement signals and thus inaccurate measurement signals over the service life of the sensors.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention

Es wird daher ein Verfahren zum Betreiben eines Sensors zum Bestimmen mindestens eines Anteils eines Gases in einem Messgasraum vorgeschlagen, welches die Nachteile bekannter Verfahren zum Betreiben dieser Sensoren zumindest weitgehend vermeidet und bei dem die Messgenauigkeit eines solchen Sensors auch bei Alterung deutlich verbessert werden kann.A method for operating a sensor for determining at least a portion of a gas in a measurement gas chamber is therefore proposed, which at least largely avoids the disadvantages of known methods for operating these sensors and in which the measurement accuracy of such a sensor can be significantly improved even with aging.

In einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird daher ein Verfahren zum Betreiben eines Sensors zum Bestimmen mindestens eines Anteils eines Gases in einem Messgasraum, insbesondere zum Nachweis mindestens eines Anteils einer molekularen Messgaskomponente und/oder einer Messgaskomponente mit gebundenem Sauerstoff in einem Messgas, vorgeschlagen. Der Sensor weist ein Sensorelement auf, wobei das Sensorelement mindestens eine Pumpzelle mit wenigstens zwei durch mindestens einen Festelektrolyten miteinander verbundenen Pumpelektroden aufweist, wobei eine erste Pumpelektrode dem Gas aussetzbar und eine zweite Pumpelektrode durch mindestens eine poröse Diffusionsbarriere von dem Gas getrennt und in einem Hohlraum in dem Festelektrolyten angeordnet ist. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte, bevorzugt in der angegebenen Reihenfolge:

- Ermitteln eines Messsignals, das den Anteil des Gases anzeigt, basierend auf einem Pumpstrom der Pumpzelle,
- Bestimmen einer Kompensationsgröße mittels einer Signalverarbeitung, wobei die Kompensationsgröße zumindest teilweise abhängig ist von einer Einbauposition des Sensors und/oder von einer Belastungssituation des Sensors,
- Bestimmen mindestens eines korrigierten Messsignals aus dem Messsignal und der Kompensationsgröße, und
- Bestimmen des Anteils des Gases aus dem korrigierten Messsignal.

In a first aspect of the present invention, a method for operating a sensor for determining at least a proportion of a gas in a measurement gas space, in particular for detecting at least a proportion of a molecular measurement gas component and/or a measurement gas component with bound oxygen in a measurement gas, is proposed. The sensor has a sensor element, wherein the sensor element has at least one pump cell with at least two pump electrodes connected to one another by at least one solid electrolyte, with a first pump electrode being able to be exposed to the gas and a second pump electrode being separated from the gas by at least one porous diffusion barrier and being placed in a cavity in the solid electrolyte is arranged. The method comprises the following steps, preferably in the order given:

- determining a measurement signal that indicates the proportion of the gas, based on a pump current of the pump cell,
- Determination of a compensation variable by means of signal processing, the compensation variable being at least partially dependent on an installation position of the sensor and/or on a load situation of the sensor,
- determining at least one corrected measurement signal from the measurement signal and the compensation variable, and
- Determining the proportion of the gas from the corrected measurement signal.

Durch das Bestimmen einer Kompensationsgröße in Abhängigkeit von der Einbauposition und/oder der Belastungssituation des Sensors kann dem Sensor eine auf den Sensor individuell angepasste Alterung zugeordnet werden. Der Sensor bestimmt die individuelle Belastung durch die vorliegenden Messdaten über die gesamte Lebensdauer hinweg. Damit ist eine Unterscheidung der Einbauposition z.B. durch verschiedene Sensorversionen oder über Stecker, die auch in der gesamten Logistik eingehalten werden muss, nicht mehr notwendig. Die Kompensation passt sich also an alle Motorprojekte und Einbaupositionen selbst an. Dadurch ergibt sich über Lebensdauer eine deutlich verbesserte Genauigkeit. Anhand der aktuellen Dauerlaufdaten ergibt sich eine Verbesserung der Genauigkeitsabweichung von etwa 30%.By determining a compensation variable as a function of the installation position and/or the load situation of the sensor, the sensor can be assigned aging that is individually adapted to the sensor. The sensor determines the individual load based on the available measurement data over the entire service life. This means that the installation position can be differentiated, for example using different sensor versions or plugs, which is also maintained throughout the logistics ten must be no longer necessary. The compensation therefore adapts itself to all engine projects and installation positions. This results in significantly improved accuracy over the service life. Based on the current endurance data, there is an improvement in the accuracy deviation of around 30%.

Die Einbauposition, wie beispielsweise vor SCR-Katalysator oder am Ende vom Abgasstrang, kann durch eine Erkennung über einen zusätzlichen Anschluss im Stecker (Pin-5) oder per Typ-Teile-Nummer oder Software erfolgen.The installation position, such as in front of the SCR catalytic converter or at the end of the exhaust line, can be identified by an additional connection in the connector (pin 5) or by type part number or software.

Die Alterungskompensation kann beispielsweise auf die Einbauposition des jeweiligen Sensors angepasst werden. Das beschreibt eine erste Verbesserung, welche nur eine unterschiedliche Bedatung beinhaltet. Z.B. vor oder nach SCR-Kat. Damit kann schon eine Verbesserung erzielt werden. Die Daten werden aber vorab in einem Motordauerlauf ermittelt. Durch die oben beschriebene Einbaupositionerkennung mit Pin-5 ist dem Sensor die jeweilige Einbauposition bekannt. Damit kann eine der Einbauposition angepasste Alterungskompensation verwendet werden und eine damit eine höhere Genauigkeit.The aging compensation can, for example, be adapted to the installation position of the respective sensor. This describes a first improvement, which only includes different data input. E.g. before or after SCR-Kat. An improvement can already be achieved with this. However, the data is determined in advance in an engine endurance test. The installation position detection with pin 5 described above means that the sensor knows the respective installation position. An aging compensation adapted to the installation position can thus be used and thus a higher level of accuracy.

Die von der Einbauposition des Sensors abhängige Kompensationsgröße kann einer Datenbank, insbesondere einer oder mehreren Lookup-Tabellen, entnommen werden. Durch die dem Sensor bekannte Einbauposition wird ausgewählt ob eine Tabelle mit Alterungskompensationswerten für eine Upstream- oder Downstream-Einbauposition verwendet werden soll. Dadurch werden unterschiedliche Zusammensetzungen des Messgases an den jeweiligen Einbauorten für die Alterungskompensation berücksichtigt, was die Signalgenauigkeit erhöht.The compensation variable, which is dependent on the installation position of the sensor, can be taken from a database, in particular from one or more lookup tables. The installation position known to the sensor is used to select whether a table with aging compensation values for an upstream or downstream installation position is to be used. As a result, different compositions of the sample gas at the respective installation locations are taken into account for the aging compensation, which increases the signal accuracy.

Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Datenbank mittels einer Dauerlauferprobung von Sensoren zum Bestimmen mindestens eines Anteils eines Gases in einem Messgasraum ermittelt ist. Die Werte der jeweiligen Tabellen werden somit in der Dauerlauferprobung ermittelt. Sie ergeben sich aus der mittleren Alterung aller Sensoren an einer Einbauposition zur entsprechenden Betriebszeit und Konzentration des Messgases.Method according to the preceding claim, wherein the database is determined by means of endurance testing of sensors for determining at least a portion of a gas in a measurement gas space. The values of the respective tables are thus determined in the endurance test. They result from the average aging of all sensors in one installation position for the corresponding operating time and concentration of the sample gas.

Die von der Belastungssituation des Sensors abhängige Kompensationsgröße kann mittels eines Kompensationsmodells ermittelt werden. Die Alterungskompensation wird somit aufgrund der individuellen Belastungssituation eines jeden Sensors bestimmt. Die Belastung, die jeder Sensor erfährt, kann aus den Informationen / Messsignalen, die dem Sensor zur Verfügung stehen, abgeschätzt werden. Zum Beispiel kann die mittlere NOx-Konzentration oder O2-Konzentration über die Betriebszeit integriert und als Maß für die Belastung genommen werden. Der Sensor ermittelt die individuelle Belastung und berechnet daraus mit Hilfe des Modells die optimale, individuelle Kompensation. Dadurch wird nicht nur die jeweilige Einbauposition eines jeden Sensors berücksichtig (Upstream sind die NOx-Konzentrationen deutlich höher als Downstream), sondern eine sensorindividuelle Alterung ermittelt, die auch an das jeweilige Motorprojekt und die individuelle Belastung durch Fahrzeugeinsatz und Fahrweise angepasst ist. Dadurch wird die Genauigkeit über die Lebensdauer noch besser.The compensation variable, which is dependent on the load situation of the sensor, can be determined using a compensation model. The aging compensation is thus determined on the basis of the individual load situation of each sensor. The stress each sensor experiences can be estimated from the information/measurement signals available to the sensor. For example, the average NOx concentration or O2 concentration can be integrated over the operating time and taken as a measure of the load. The sensor determines the individual load and, with the help of the model, calculates the optimal, individual compensation. This not only takes into account the respective installation position of each sensor (upstream the NOx concentrations are significantly higher than downstream), but also determines individual sensor aging, which is also adapted to the respective engine project and the individual stress caused by vehicle use and driving style. This improves the accuracy over the service life even more.

Als Eingangsgröße für das Kompensationsmodell wird mindestens eine Eingangsgröße verwendet, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: Messsignal(e) des Sensors, Heizleistung, Messgastemperatur, aktuelle vergangene Betriebsdauer des Sensors, Anzahl der Sensorstarts, Messgasgeschwindigkeit und Versorgungsspannung. Es versteht sich, dass bei Bedarf andere oder zusätzliche Eingangsgrößen verwendet werden können. Dem Sensor stehen somit folgende Messdaten als Eingangswerte in das Modell zur Verfügung: NOx-Konzentration, O2-Konzentration, Puls-Weiten-Modulation-Takt (Heizleistung), Abgastemperatur, Abgasgeschwindigkeit, aktuelle vergangene Betriebsdauer, beispielsweise gemessen in Stunden, Anzahl der Sensorstarts, Versorgungsspannung. Die genau verwendeten Eingangswerte können nach Bedarf festgelegt werden. Im Fahrzeug kann das Modell dann mit den originalen Daten des Sensors die optimale Kompensation ermitteln. Auch eine Ergänzung der Eingangsgrößen durch Daten von externen Sensoren, z.B. Temperatursensoren, ist optional möglich.At least one input variable is used as the input variable for the compensation model, which is selected from the group consisting of: measurement signal(s) of the sensor, heating power, sample gas temperature, current past operating time of the sensor, number of sensor starts, sample gas velocity and supply voltage. It goes without saying that other or additional input variables can be used if required. The following measurement data is therefore available to the sensor as input values in the model: NOx concentration, O2 concentration, pulse width modulation cycle (heating output), exhaust gas temperature, exhaust gas speed, current past operating time, measured in hours, for example, number of sensor starts, supply voltage. The exact input values used can be specified as required. In the vehicle, the model can then use the original data from the sensor to determine the optimum compensation. It is also possible to supplement the input variables with data from external sensors, e.g. temperature sensors.

Insbesondere kann ein integraler Wert, ein aktueller Wert oder ein Gradient über die Zeit der Eingangsgröße verwendet werden. Zu jedem der oben genannten Werte kann somit der Integrale Wert, der aktuelle Wert, oder die Signaldynamik (Gradient über der Zeit) verwendet werden.In particular, an integral value, a current value or a gradient over time of the input variable can be used. The integral value, the current value, or the signal dynamics (gradient over time) can thus be used for each of the above values.

Als Referenz für das Kompensationsmodell können Messsignale aus einer Dauerlauferprobung von Sensoren zum Bestimmen mindestens eines Anteils eines Gases in einem Messgasraum verwendet werden. Um das Modell zu bestimmen, werden als Referenz die Messsignale aus einem Dauerlauf genommen. Damit kann zum Beispiel unter Zuhilfenahme von Methoden des maschinellen Lernens aus allen dem Sensor zur Verfügung stehenden Werten ein Modell ermittelt werden. Das Modell kann dann mit Prüfstands-Daten die die Genauigkeitsveränderung der Sensoren über Alterung zeigen, und den Sensorsignalen aus dem Dauerlauf trainiert, bzw. bestimmt werden. Das Modell kann also weiterhin allgemein für alle Sensoren bestimmt werden, wie die bisherige Alterungskompensation. Da es aber abhängig von den jeweiligen Sensorsignalen die Kompensationsfaktoren bestimmt, wird dann für jeden Sensor ein individueller Alterungszustand bestimmt. Dadurch wird die Genauigkeit sogar noch weiter verbessert.Measurement signals from endurance testing of sensors for determining at least a portion of a gas in a measurement gas chamber can be used as a reference for the compensation model. In order to determine the model, the measurement signals from an endurance run are taken as a reference. For example, a model can be determined from all the values available to the sensor with the help of machine learning methods. The model can then be trained or determined with test bench data showing the change in accuracy of the sensors over aging and the sensor signals from the endurance test. The model can therefore continue to do all be determined in common for all sensors, like the previous aging compensation. However, since it determines the compensation factors as a function of the respective sensor signals, an individual aging state is then determined for each sensor. This improves the accuracy even further.

Die Signalverarbeitung kann eine adaptive Ermittlung der Kompensationsgröße umfassen. Mit anderen Worten wird die Kompensationsgröße der jeweiligen Situation des Sensors angepasst, d.h. der Einbauposition und/oder der Belastung.The signal processing can include an adaptive determination of the compensation variable. In other words, the compensation variable is adapted to the respective situation of the sensor, i.e. the installation position and/or the load.

Es wird zudem ein Computerprogramm vorgeschlagen, welches eingerichtet ist, jeden Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen.A computer program is also proposed which is set up to carry out each step of the method according to the invention.

Weiterhin wird ein elektronisches Speichermedium vorgeschlagen, auf welchem ein Computerprogramm zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gespeichert ist.Furthermore, an electronic storage medium is proposed, on which a computer program for carrying out the method according to the invention is stored.

Weiterhin wird ein elektronisches Steuergerät vorgeschlagen, welches das erfindungsgemäße elektronische Speichermedium mit dem besagten Computerprogramm zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens enthält, umfasst.Furthermore, an electronic control unit is proposed, which contains the electronic storage medium according to the invention with said computer program for carrying out the method according to the invention.

Schließlich betrifft die Erfindung auch einen Sensor zum Bestimmen mindestens eines Anteils eines Gases in einem Messgasraum, insbesondere zum Nachweis mindestens eines Anteils einer Messgaskomponente mit gebundenem Sauerstoff in einem Messgas, wobei der Sensor ein Sensorelement aufweist, wobei das Sensorelement mindestens eine Pumpzelle mit wenigstens zwei durch mindestens einen Festelektrolyten miteinander verbundenen Pumpelektroden aufweist, wobei eine erste Pumpelektrode dem Gas aussetzbar und eine zweite Pumpelektrode durch mindestens eine poröse Diffusionsbarriere von dem Gas getrennt und in einem Hohlraum in dem Festelektrolyten angeordnet ist, wobei der Sensor weiterhin ein solches elektronisches Steuergerät aufweist.Finally, the invention also relates to a sensor for determining at least a proportion of a gas in a measurement gas space, in particular for detecting at least a proportion of a measurement gas component with bound oxygen in a measurement gas, the sensor having a sensor element, the sensor element having at least one pump cell with at least two through has at least one solid electrolyte pumping electrodes connected to one another, wherein a first pumping electrode can be exposed to the gas and a second pumping electrode is separated from the gas by at least one porous diffusion barrier and is arranged in a cavity in the solid electrolyte, the sensor furthermore having such an electronic control unit.

Unter einem Festelektrolyten ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Körper oder Gegenstand mit elektrolytischen Eigenschaften, also mit Ionen leitenden Eigenschaften, zu verstehen. Insbesondere kann es sich um einen keramischen Festelektrolyten handeln. Dies umfasst auch das Rohmaterial eines Festelektrolyten und daher die Ausbildung als so genannter Grünling oder Braunling, der erst nach einem Sintern zu einem Festelektrolyten wird. Insbesondere kann der Festelektrolyt als Festelektrolytschicht oder aus mehreren Festelektrolytschichten ausgebildet sei. Unter einer Schicht ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine einheitliche Masse in flächenhafter Ausdehnung einer gewissen Höhe zu verstehen, die über, unter oder zwischen anderen Elementen liegt.In the context of the present invention, a solid electrolyte is to be understood as meaning a body or object with electrolytic properties, ie with ion-conducting properties. In particular, it can be a ceramic solid electrolyte. This also includes the raw material of a solid electrolyte and therefore the formation of a so-called green body or brown body, which only becomes a solid electrolyte after sintering. In particular, the solid electrolyte can be formed as a solid electrolyte layer or from a plurality of solid electrolyte layers. In the context of the present invention, a layer is to be understood as meaning a uniform mass with a planar extent of a certain height, which lies above, below or between other elements.

Unter einer Elektrode ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung allgemein ein Element zu verstehen, welches in der Lage ist, den Festelektrolyten derart zu kontaktieren, dass durch den Festelektrolyten und die Elektrode ein Strom aufrechterhalten werden kann. Dementsprechend kann die Elektrode ein Element umfassen, an welchem die Ionen in den Festelektrolyten eingebaut und/oder aus dem Festelektrolyten ausgebaut werden können. Typischerweise umfassen die Elektroden eine Edelmetallelektrode, welche beispielsweise als Metall-Keramik-Elektrode auf dem Festelektrolyten aufgebracht sein kann oder auf andere Weise mit dem Festelektrolyten in Verbindung stehen kann. Typische Elektrodenmaterialien sind Platin-Cermet-Elektroden. Auch andere Edelmetalle, wie beispielsweise Gold oder Palladium, sind jedoch grundsätzlich einsetzbar.Within the scope of the present invention, an electrode is generally to be understood as an element which is able to contact the solid electrolyte in such a way that a current can be maintained through the solid electrolyte and the electrode. Accordingly, the electrode can comprise an element on which the ions can be incorporated into the solid electrolyte and/or removed from the solid electrolyte. The electrodes typically include a noble metal electrode, which can be applied to the solid electrolyte, for example as a metal-ceramic electrode, or can be connected to the solid electrolyte in some other way. Typical electrode materials are platinum cermet electrodes. However, other noble metals, such as gold or palladium, can also be used in principle.

Unter einem Heizelement ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Element zu verstehen, das zum Erwärmen des Festelektrolyten und der Elektroden auf mindestens ihre Funktionstemperatur und vorzugsweise auf ihre Betriebstemperatur dient. Die Funktionstemperatur ist diejenige Temperatur, ab der der Festelektrolyt für Ionen leitend wird und die ungefähr 350 °C beträgt. Davon ist die Betriebstemperatur zu unterscheiden, die diejenige Temperatur ist, bei der das Sensorelement üblicherweise betrieben wird und die höher ist als die Funktionstemperatur. Die Betriebstemperatur kann beispielsweise von 700 °C bis 950 °C sein. Das Heizelement kann einen Heizbereich und mindestens eine Zuleitungsbahn umfassen. Unter einem Heizbereich ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung der Bereich des Heizelements zu verstehen, der in dem Schichtaufbau entlang einer zu der Oberfläche des Sensorelements senkrechten Richtung mit einer Elektrode überlappt. Üblicherweise erwärmt sich der Heizbereich während des Betriebs stärker als die Zuleitungsbahn, so dass diese unterscheidbar sind. Die unterschiedliche Erwärmung kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass der Heizbereich einen höheren elektrischen Widerstand aufweist als die Zuleitungsbahn. Der Heizbereich und/oder die Zuleitung sind beispielsweise als elektrische Widerstandsbahn ausgebildet und erwärmen sich durch Anlegen einer elektrischen Spannung. Das Heizelement kann beispielsweise aus einem Platin-Cermet hergestellt sein.In the context of the present invention, a heating element is to be understood as an element which is used to heat the solid electrolyte and the electrodes to at least their functional temperature and preferably to their operating temperature. The functional temperature is the temperature above which the solid electrolyte becomes conductive for ions and is around 350 °C. This is to be distinguished from the operating temperature, which is the temperature at which the sensor element is usually operated and which is higher than the functional temperature. The operating temperature can be from 700°C to 950°C, for example. The heating element can comprise a heating area and at least one feed track. In the context of the present invention, a heating area is to be understood as meaning the area of the heating element which, in the layer structure, overlaps with an electrode along a direction perpendicular to the surface of the sensor element. The heating area usually heats up more during operation than the supply track, so that they can be distinguished. The different heating can be realized, for example, in that the heating area has a higher electrical resistance than the feed line. The heating area and/or the supply line are designed, for example, as an electrical resistance path and are heated up by applying an electrical voltage. The heating element can be made of a platinum cermet, for example.

Unter einer Messgröße ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine beliebige physikalische und/oder chemische Größe und ein diese Größe(n) äquivalent anzeigendes Signal, d.h. ein äquivalentes Signal, zu verstehen. Bevorzugt handelt es sich bei der Messgröße um mindestens ein Messsignal des Sensorelements. Bevorzugt kann es sich bei der Messgröße um mindestens einen Pumpstrom, beispielsweise einen Grenzstrom, handeln. Beispielsweise kann es sich bei der Messgröße um eine von dem Pumpstrom abhängige Größe handeln. Beispielsweise kann es sich bei der Messgröße um eine Pumpspannung und/oder um eine umgesetzte Ladung handeln. Unter dem Ausdruck „erfasst werden“ in diesem Zusammenhang ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verstehen, dass die Messgröße beispielsweise als Messsignal von dem Sensorelement ausgegeben wird und/oder die Messgröße von einem Steuergerät verarbeitet und/oder ausgewertet und/oder gespeichert wird.In the context of the present invention, a measured variable is to be understood in principle as meaning any physical and/or chemical variable and a signal indicating this variable(s) in an equivalent manner, ie an equivalent signal. The measured variable is preferably at least one measurement signal of the sensor element. Preferred the measured variable can be at least one pump current, for example a limit current. For example, the measured variable can be a variable that is dependent on the pump current. For example, the measured variable can be a pump voltage and/or a converted charge. The expression "to be detected" in this context is to be understood within the scope of the present invention that the measured variable is output, for example, as a measured signal by the sensor element and/or the measured variable is processed and/or evaluated and/or stored by a control unit.

Unter einer Kompensationsgröße ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine beliebige chemische und/oder physikalische Größe und ein diese Größe(n) äquivalent anzeigendes Signal, d.h. ein äquivalentes Signal, zu verstehen. Bevorzugt kann die Kompensationsgröße die gleiche physikalische und/oder chemische Größe umfassen wie die Messgröße. Bevorzugt kann es sich bei der Kompensationsgröße um eine Pumpstromabweichung handeln. Beispielsweise kann es sich bei der Kompensationsgröße um mindestens einen Umladestrom und/oder mindestens eine Elektrodenladung handeln. Die Kompensationsgröße ist zumindest teilweise abhängig von einem Pumpstrom und einer an die Pumpzelle angelegten Spannung. Insbesondere ist die Kompensationsgröße zumindest teilweise abhängig von einer zeitlichen Änderung des Pumpstroms und der an die Pumpzelle angelegten Spannung.In the context of the present invention, a compensation variable is to be understood in principle as any chemical and/or physical variable and a signal indicating this variable(s) in an equivalent manner, i.e. an equivalent signal. The compensation variable can preferably include the same physical and/or chemical variable as the measured variable. The compensation variable can preferably be a pump current deviation. For example, the compensation variable can be at least one recharging current and/or at least one electrode charge. The compensation variable is at least partially dependent on a pump current and a voltage applied to the pump cell. In particular, the compensation variable is at least partially dependent on a change over time in the pump current and the voltage applied to the pump cell.

Unter der Pumpspannung für einen Grenzstromfall kann diejenige an die Pumpzelle angelegte Pumpspannung verstanden werden, ab der auch bei einer weiteren Erhöhung der Pumpspannung kein oder nur ein unwesentlicher Anstieg des Pumpstroms mehr feststellbar ist, da an der inneren Pumpelektrode keine weiteren Sauerstoffmoleküle mehr reduziert werden. Der Pumpstrom, der diesem Plateau der Kennlinie entspricht, wird als Grenzstrom bezeichnet und ist proportional zur Konzentration von Sauerstoff oder sauerstoffhaltigen Gasspezies in einer Gasmischung. Im Normalbetrieb einer Breitbandlambdasonde findet die eigentliche Messung des Sauerstoffgehalts im Grenzstromfall statt.The pump voltage for a limiting current drop can be understood as the pump voltage applied to the pump cell from which no or only an insignificant increase in the pump current can be detected even with a further increase in the pump voltage, since no further oxygen molecules are reduced at the inner pump electrode. The pumping current that corresponds to this plateau of the characteristic is called the limiting current and is proportional to the concentration of oxygen or oxygen-containing gas species in a gas mixture. In normal operation of a broadband lambda probe, the actual measurement of the oxygen content takes place in the limiting current case.

Unter der Diffusionsbarriere kann beispielsweise eine Schicht aus einem Material verstanden werden, welche eine Strömung des Gases und/oder eines Fluids und/oder des Gasgemischs und/oder der Gaskomponente unterdrückt, währenddessen die Schicht eine Diffusion des Gases und/oder des Fluids und/oder des Gasgemischs und/oder der Gaskomponente und/oder von Ionen fördert.The diffusion barrier can be understood, for example, as a layer made of a material that suppresses a flow of the gas and/or a fluid and/or the gas mixture and/or the gas component, while the layer prevents a diffusion of the gas and/or the fluid and/or of the gas mixture and/or the gas component and/or ions.

Unter dem Hohlraum kann ein Raum innerhalb des Sensorelements verstanden werden, welcher zwar baulich von dem Messgasraum separiert ist, welcher aber dennoch mit der Gaskomponente und/oder dem Gasgemisch und/oder dem Gas aus dem Messgasraum beaufschlagbar sein kann, beispielsweise über mindestens einen Gaszutrittsweg und/oder über die Diffusionsbarriere. Bei dem Hohlraum kann es sich beispielsweise um eine Kammer handeln. Die Vorrichtung kann mindestens einen Referenzgasraum und/oder mindestens einen Referenzgaskanal umfassen. Bei dem Festelektrolyten kann es sich bevorzugt um einen ionenleitenden Festelektrolyten handeln. Über die Diffusionsbarriere, insbesondere zu dem Hohlraum hin, kann bevorzugt ein Gasaustausch, insbesondere des Gases und/oder zumindest eines Teils des Gases, möglich sein, bevorzugt durch Diffusion.The cavity can be understood to mean a space within the sensor element which is structurally separate from the measurement gas space, but which can nevertheless be acted upon by the gas component and/or the gas mixture and/or the gas from the measurement gas space, for example via at least one gas access path and /or across the diffusion barrier. The cavity can be a chamber, for example. The device can include at least one reference gas space and/or at least one reference gas channel. The solid electrolyte can preferably be an ion-conducting solid electrolyte. A gas exchange, in particular of the gas and/or at least part of the gas, can preferably be possible via the diffusion barrier, in particular towards the cavity, preferably by diffusion.

Die Bezeichnungen „erste“ und „zweite“ dienen als reine Bezeichnungen und geben insbesondere keinen Aufschluss über eine Reihenfolge oder ob beispielsweise noch weitere Pumpelektroden von den Pumpelektroden umfasst sind, beispielsweise mindestens eine dritte Pumpelektrode.The designations “first” and “second” serve as pure designations and in particular do not provide any information about a sequence or whether, for example, further pumping electrodes are included in the pumping electrodes, for example at least a third pumping electrode.

Figurenlistecharacter list

Weitere optionale Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind.Further optional details and features of the invention result from the following description of preferred exemplary embodiments, which are shown schematically in the figures.

Es zeigen:

1 einen prinzipiellen Aufbau eines erfindungsgemäßen Sensors,
2 ein Blockdiagramm der Signalverarbeitung zur Kompensation der Sensoralterung gemäß einer Ausführungsform, und
3 ein Blockdiagramm der Signalverarbeitung zur Kompensation der Sensoralterung gemäß einer weiteren Ausführungsform.

Show it:

1 a basic structure of a sensor according to the invention,
2 a block diagram of the signal processing for compensating for sensor aging according to an embodiment, and
3 a block diagram of the signal processing for compensating for sensor aging according to a further embodiment.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

1 zeigt einen prinzipiellen Aufbau eines erfindungsgemäßen Sensors 100, welcher zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens besonders geeignet ist. 1 shows a basic structure of a sensor 100 according to the invention, which is particularly suitable for carrying out the method according to the invention.

Der Sensor 100 ist zum Bestimmen mindestens eines Anteils eines Gases in einem Messgasraum ausgebildet. Lediglich beispielhaft ist der Sensor 100 zum Nachweis mindestens eines Anteils einer molekularen Messgaskomponente und/oder einer Messgaskomponente mit gebundenem Sauerstoff, im Folgenden beispielhaft als Stickoxid NOx bezeichnet, in einem Gasgemisch, beispielhaft einem Abgas einer Verbrennungskraftmaschine, eingerichtet. Der Sensor 100 umfasst hierzu ein Sensorelement 110. Das Sensorelement 114 weist eine erste Pumpzelle 112 auf, welche zwischen einer äußeren Pumpelektrode 114 und einer inneren Pumpelektrode 116 ausgebildet ist, wobei die Pumpelektroden 114, 116 durch einen Festelektrolyten 117 miteinander verbunden sind. Die äußere Pumpelektrode 114, welche mittels einer porösen Aluminiumoxidschicht 118 von der Umgebung des Sensors 100 getrennt ist, verfügt hierbei über eine erste elektrisch leitende Verbindung 120, über welche sich ein erster Pumpstrom I_P1 in der ersten Pumpzelle 112 erzeugen lässt. Die elektrisch leitende Verbindung 120 ist hierzu mit einem Anschluss P1 eines externen elektronischen Steuergeräts 122 verbunden. Um einen vollständigen Stromkreis zu erhalten, verfügt die innere Pumpelektrode 116 ebenfalls über eine elektrisch leitende Verbindung 124, welche zu einem gemeinsamen Anschluss COM des externen elektronischen Steuergeräts 122 führt. Die erste Pumpzelle 112 liegt an einem ersten Hohlraum 126 an, der sich im Inneren des Sensorelements 110 befindet. und mit dem Messgas in Verbindung steht. Durch Erzeugen des ersten Pumpstroms I_P1 in der ersten Pumpzelle 112 lässt sich ein erster Anteil von Sauerstoffionen, welche aus molekularem Sauerstoff aus dem Gasgemisch gebildet werden, zwischen dem ersten Hohlraum 126 und der Umgebung des Sensors 100 transportieren. In dem Eintrittsweg aus der Umgebung zu dem ersten Hohlraum 126 sind zwei Diffusionsbarrieren 128 vorhanden.The sensor 100 is designed to determine at least a proportion of a gas in a measurement gas space. The sensor 100 for detecting at least a proportion of a molecular measurement gas component and/or a measurement gas component with bound oxygen, hereinafter referred to as nitrogen oxide NOx, in a gas mixture, is exemplary only an exhaust gas of an internal combustion engine. For this purpose, sensor 100 includes a sensor element 110. Sensor element 114 has a first pump cell 112, which is formed between an outer pump electrode 114 and an inner pump electrode 116, pump electrodes 114, 116 being connected to one another by a solid electrolyte 117. Outer pump electrode 114, which is separated from the environment of sensor 100 by a porous aluminum oxide layer 118, has a first electrically conductive connection 120, via which a first pump current I _P1 can be generated in first pump cell 112. For this purpose, the electrically conductive connection 120 is connected to a connection P1 of an external electronic control unit 122 . In order to obtain a complete circuit, the inner pumping electrode 116 also has an electrically conductive connection 124 which leads to a common connection COM of the external electronic control unit 122 . The first pumping cell 112 bears against a first cavity 126 located inside the sensor element 110 . and is in contact with the sample gas. By generating the first pump current I _P1 in the first pump cell 112, a first proportion of oxygen ions, which are formed from molecular oxygen from the gas mixture, can be transported between the first cavity 126 and the environment of the sensor 100. In the path of entry from the environment to the first cavity 126 there are two diffusion barriers 128 .

Das Sensorelement 110 weist verfügt weiterhin eine elektrische Referenzzelle 130 auf, welche eine Nernst-Elektrode 132 und eine Referenzelektrode 134 aufweist. Während die Nernst-Elektrode 132 über eine elektrisch leitende Verbindung 124 zusammen mit der inneren Pumpelektrode 116 zu dem gemeinsamen Anschluss COM verfügt, weist die Referenzelektrode 134 eine gesonderte elektrisch leitende Verbindung 136 zu einem Anschluss Vs des externen elektronischen Steuergeräts 122 für die Nernstspannung Vs auf. Die Referenzzelle 130 liegt an einem Referenzgasraum 138 an. Ein zweiter Anteil der Sauerstoffionen aus dem Messgasraum 126 und/oder aus der Umgebung des Sensors 100 wird in den Referenzgasraum 138 durch Anlegen eines Referenz-Pumpstroms zwischen dem Anschluss Vs und dem gemeinsamen Anschluss COM transportiert. Hierbei wird der Wert für den Referenz-Pumpstrom derart eingestellt, dass sich ein festgelegter Anteil der Sauerstoffionen in dem Referenzgasraum 138 ausbildet. Vorzugsweise wird in diesem Zusammenhang auch der Wert für den ersten Pumpstrom I_P1 derart eingestellt, dass sich ein festgelegtes Verhältnis zwischen dem ersten Anteil der Sauerstoffionen in dem Messgasraum 126 und dem zweiten Anteil der Sauerstoffionen in dem Referenzgasraum 138 ergibt.The sensor element 110 also has an electrical reference cell 130 which has a Nernst electrode 132 and a reference electrode 134 . While the Nernst electrode 132 has an electrically conductive connection 124 along with the inner pumping electrode 116 to the common terminal COM, the reference electrode 134 has a separate electrically conductive connection 136 to a terminal Vs of the external electronic controller 122 for the Nernst voltage Vs. The reference cell 130 rests against a reference gas space 138 . A second portion of the oxygen ions from the measurement gas space 126 and/or from the environment of the sensor 100 is transported into the reference gas space 138 by applying a reference pumping current between the terminal Vs and the common terminal COM. In this case, the value for the reference pump current is set in such a way that a specified proportion of the oxygen ions forms in the reference gas space 138 . In this context, the value for the first pump current I _P1 is preferably also set in such a way that a fixed ratio between the first proportion of oxygen ions in the measurement gas chamber 126 and the second proportion of the oxygen ions in the reference gas chamber 138 results.

Die in dem Gasgemisch weiterhin enthaltene Messgaskomponente Stickoxid NO_x mit dem gebundenen Sauerstoff gelangt, insbesondere durch Diffusion, weitgehend unbeeinflusst in eine zweite Pumpzelle 140 des Sensorelements 110, welche auch als „NO_x-Pumpzelle“ bezeichnet werden kann. Die zweite Pumpzelle 140 weist eine NO_x-Pumpelektrode 142 und eine NO_x-Gegenelektrode 144 auf und liegt an einem zweiten Hohlraum 145 im Inneren des Sensorelements 110 an. Der zweite Hohlraum 145 ist von dem ersten Hohlraum 126 durch eine der Diffusionsbarrieren 128 getrennt. Wenigstens eine der beiden Elektroden NO_x-Pumpelektrode 142 und/oder NO_x-Gegenelektrode 144 sind derart ausgestaltet, dass bei Anlegen einer Spannung mittels Katalyse aus der Messgaskomponente NO_x weiterer molekularer Sauerstoff erzeugt werden kann, welcher in der zweiten Pumpzelle 140 gebildet wird.The measurement gas component nitrogen oxide NO _x still contained in the gas mixture with the bound oxygen reaches, in particular by diffusion, largely unaffected into a second pump cell 140 of the sensor element 110, which can also be referred to as “NO _x pump cell”. The second pumping cell 140 has a _NOx pumping electrode 142 and a _NOx counter electrode 144 and abuts a second cavity 145 inside the sensor element 110 . The second cavity 145 is separated from the first cavity 126 by one of the diffusion barriers 128 . At least one of the two electrodes NO _x pump electrode 142 and/or NO _x counter-electrode 144 is designed in such a way that when a voltage is applied, further molecular oxygen can be generated from the measurement gas component NO _x by means of catalysis, which oxygen is formed in the second pump cell 140.

Während die NO_x-Pumpelektrode 142 eine elektrisch leitende Verbindung 146 aufweist, welche zu dem gemeinsamen Anschluss COM führt, weist die NO_x-Gegenelektrode 144 eine elektrisch leitende Verbindung 146 auf, über welche ein zweiter Pumpstrom I_P2 an die zweite Pumpzelle 140 angelegt werden kann. Die elektrisch leitende Verbindung 146 ist hierzu mit einem Anschluss P2 des externen elektronischen Steuergeräts 122 verbunden. Bei Anlegen eines zweiten Pumpstroms I_P2 an die zweite Pumpzelle 140 wird ein Anteil von weiteren Sauerstoffionen, welche aus dem weiteren molekularen Sauerstoff gebildet wurden, in den Referenzgasraum 138 transportiert.While the _NOx pumping electrode 142 has an electrically conductive connection 146 leading to the common terminal COM, the _NOx counter electrode 144 has an electrically conductive connection 146 via which a second pumping current I _P2 is applied to the second pumping cell 140 can. For this purpose, the electrically conductive connection 146 is connected to a connection P2 of the external electronic control unit 122 . When a second pump current I _P2 is applied to the second pump cell 140 , a portion of further oxygen ions formed from the further molecular oxygen is transported into the reference gas space 138 .

Das Sensorelement 110 verfügt weiterhin über ein Heizelement 148, welches mittels zweier Zuleitungen 150 mit Anschlüssen HTR+ und HTR- des Steuergeräts 122 verbunden ist, über welche ein Heizstrom in das Heizelement 148 eingebracht werden kann, welches mittels Erzeugen einer Heizleistung das Sensorelement 110 auf die gewünschte Temperatur bringen kann.Sensor element 110 also has a heating element 148, which is connected to terminals HTR+ and HTR- of control unit 122 by means of two supply lines 150, via which a heating current can be introduced into heating element 148, which, by generating a heating output, heats sensor element 110 to the desired temperature can bring.

Bei dem Betrieb des Sensors 100 werden ein erster Pumpstrom I_P1 der ersten Pumpzelle 112 und eine an die erste Pumpzelle 112 angelegte Spannung U_P1 erfasst. Ein die Messgaskomponente mit gebundenem Sauerstoff anzeigendes Messsignal des Sensorelements 110 wird basierend auf einem zweiten Pumpstrom I_P2 der zweiten Pumpzelle 140 ermittelt. Da dieses Signal alterungsbedingten Veränderungen unterliegt, wird dieses wie nachfolgend ausführlicher beschrieben korrigiert. Mittels einer Signalverarbeitung wird eine Kompensationsgröße bestimmt. Aus dem Messsignal und der Kompensationsgröße wird mindestens ein korrigiertes Messsignal bestimmt. Aus dem korrigierten Messsignal wird der Anteil des Gases, d.h. bei diesem Ausführungsbeispiel der Anteil der Messgaskomponente mit gebundenem Sauerstoff, bestimmt.During the operation of the sensor 100, a first pump current I _P1 of the first pump cell 112 and a voltage U _P1 applied to the first pump cell 112 are detected. A measurement signal of sensor element 110 that indicates the measurement gas component with bound oxygen is determined based on a second pump current I _P2 of second pump cell 140 . As this signal is subject to changes due to aging, it is corrected as described in more detail below. A compensation variable is determined by means of signal processing. At least one corrected measurement signal is determined from the measurement signal and the compensation variable. From the corrected messig The proportion of the gas, ie in this exemplary embodiment the proportion of the measurement gas component with bound oxygen, is then determined.

2 zeigt ein Blockdiagramm einer Signalverarbeitung 152 zur Kompensation der Sensoralterung gemäß einer Ausführungsform. Ein Messsignal 154 des Sensors 100 wird der Signalverarbeitung 152 zugeführt. Bei dem Messsignal 154 handelt es sich beispielsweise um eine NOx-Konzentration anzeigendes Signal, das Alterungseffekten unterliegt. Die Signalverarbeitung 152 erkennt die Einbauposition des Sensors 100 anhand dessen Pin ID und ordnet diese der Einbauposition zu, beispielsweise über einen sogenannten Pin ID switch 156. Die Signalverarbeitung 152 ordnet dem Messsignal 154 beispielsweise eine stromaufwärtige Einbauposition US oder eine stromabwärtige Einbauposition DS des Sensors 100 zu. Die Angaben „stromaufwärtig“ und „stromabwärtig“ beziehen sich dabei auf eine Strömungsrichtung im Abgastrakt der Brennkraftmaschine. Dann wird eine Kompensationsgröße 158, 160 mittels der Signalverarbeitung 152 bestimmt. Die Kompensationsgröße 158, 160 ist zumindest teilweise abhängig von einer Einbauposition des Sensors 100. Die von der Einbauposition des Sensors 100 abhängige Kompensationsgröße 158, 160 wird einer Datenbank, insbesondere einer Lookup-Tabelle, entnommen. Die Datenbank wurde zuvor mittels einer Dauerlauferprobung von Sensoren zum Bestimmen mindestens eines Anteils eines Gases in einem Messgasraum ermittelt. Basierend auf einer durch einen Pfeil 162 angegeben Sensorlebensdauer und in Abhängigkeit von der Einbauposition bestimmt die Signalverarbeitung anhand dieser Datenbank entweder eine Kompensationsgröße 158 für die stromaufwärtige Einbauposition oder eine Kompensationsgröße 160 für die stromabwärtige Einbauposition. Anschließend wird mindestens ein korrigiertes Messsignal 164 aus dem Messsignal und der Kompensationsgröße 158, 160 bestimmt. Schließlich wird der Anteil des Gases aus dem korrigierten Messsignal 164 bestimmt. 2 15 shows a block diagram of signal processing 152 for compensating for sensor aging according to an embodiment. A measurement signal 154 from sensor 100 is fed to signal processing 152 . The measurement signal 154 is, for example, a signal that indicates a NOx concentration and is subject to aging effects. Signal processing 152 recognizes the installation position of sensor 100 based on its pin ID and assigns this to the installation position, for example via a so-called pin ID switch 156. Signal processing 152 assigns measurement signal 154, for example, an upstream installation position US or a downstream installation position DS of sensor 100 . The statements “upstream” and “downstream” relate to a direction of flow in the exhaust system of the internal combustion engine. A compensation variable 158, 160 is then determined by means of signal processing 152. Compensation variable 158, 160 is at least partially dependent on an installation position of sensor 100. Compensation variable 158, 160, which is dependent on the installation position of sensor 100, is taken from a database, in particular a lookup table. The database was determined beforehand by means of endurance testing of sensors for determining at least a portion of a gas in a measurement gas space. Based on a sensor lifetime indicated by an arrow 162 and depending on the installation position, the signal processing uses this database to determine either a compensation quantity 158 for the upstream installation position or a compensation quantity 160 for the downstream installation position. At least one corrected measurement signal 164 is then determined from the measurement signal and the compensation variable 158, 160. Finally, the proportion of the gas is determined from the corrected measurement signal 164 .

3 zeigt ein Blockdiagramm einer Signalverarbeitung 152 zur Kompensation der Sensoralterung gemäß einer weiteren Ausführungsform. Nachstehend werden lediglich die Unterschiede zu der Ausführungsform der 2 erläutert und gleiche oder vergleichbare Bauteile oder Merkmale sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Ein Messsignal 154 des Sensors 100 wird der Signalverarbeitung 152 zugeführt. Bei dem Messsignal 154 handelt es sich beispielsweise um ein NOx-Konzentration anzeigendes Signal, das Alterungseffekten unterliegt. Dann wird eine von der Belastungssituation des Sensors 100 abhängige Kompensationsgröße 166 mittels der Signalverarbeitung 152 bestimmt. Die von der Belastungssituation des Sensors 100 abhängige Kompensationsgröße 166 wird mittels eines Kompensationsmodells 168 ermittelt. Als Eingangsgröße 170 für das Kompensationsmodell wird mindestens eine Eingangsgröße verwendet, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: Messsignal(e) des Sensors, Heizleistung, Messgastemperatur, aktuelle vergangene Betriebsdauer des Sensors, Anzahl der Sensorstarts, Messgasgeschwindigkeit und Versorgungsspannung. Dem Sensor stehen beispielsweise folgende Messdaten als Eingangswerte in das Kompensationsmodell 168 zur Verfügung: NOx-Konzentration, O2-Konzentration, Puls-Weiten-Modulation-Takt (Heizer Leistung), Abgastemperatur, Lebensdauer, Anzahl der Sensorstarts, Versorgungsspannung. Im Fahrzeug kann das Modell dann mit den originalen Daten des Sensors die optimale Kompensation ermitteln. Insbesondere kann ein integraler Wert, ein aktueller Wert oder ein Gradient über die Zeit der Eingangsgröße verwendet werden. Zu jedem der oben genannten Werte kann somit der Integrale Wert, der aktuelle Wert, oder die Signaldynamik (Gradient über der Zeit) verwendet werden. Als Referenz für das Kompensationsmodell können Messsignale aus einer Dauerlauferprobung von Sensoren zum Bestimmen mindestens eines Anteils eines Gases in einem Messgasraum verwendet werden. Um das Modell zu bestimmen, werden als Referenz die Messsignale aus einem Dauerlauf genommen. 3 15 shows a block diagram of signal processing 152 for compensating for sensor aging according to a further embodiment. Only the differences from the embodiment of the 2 explained and the same or comparable components or features are provided with the same reference numerals. A measurement signal 154 from sensor 100 is fed to signal processing 152 . The measurement signal 154 is, for example, a signal that indicates the NOx concentration and is subject to aging effects. A compensation variable 166 dependent on the load situation of sensor 100 is then determined by means of signal processing 152 . The compensation variable 166 dependent on the load situation of the sensor 100 is determined using a compensation model 168 . At least one input variable is used as the input variable 170 for the compensation model, which is selected from the group consisting of: measurement signal(s) of the sensor, heating power, sample gas temperature, current past operating time of the sensor, number of sensor starts, sample gas speed and supply voltage. The following measurement data, for example, are available to the sensor as input values in the compensation model 168: NOx concentration, O2 concentration, pulse width modulation cycle (heater output), exhaust gas temperature, service life, number of sensor starts, supply voltage. In the vehicle, the model can then use the original data from the sensor to determine the optimum compensation. In particular, an integral value, a current value or a gradient over time of the input variable can be used. The integral value, the current value, or the signal dynamics (gradient over time) can thus be used for each of the above values. Measurement signals from endurance testing of sensors for determining at least a portion of a gas in a measurement gas chamber can be used as a reference for the compensation model. In order to determine the model, the measurement signals from an endurance run are taken as a reference.

Beispielsweise werden dem Kompensationsmodell das Messsignal 164 des Sensors 100, ein Sauerstoffsignal 172 und andere Eingangsgrößen 174 zugeführt, wobei letztere beiden von dem Sensor 100 oder von einem anderen Sensor erfasst werden können. Basierend auf einer durch einen Pfeil 162 angegeben Sensorlebensdauer und in Abhängigkeit von der Belastungssituation 152 bestimmt die Signalverarbeitung 152 dann die Kompensationsgröße. Anschließend wird mindestens ein korrigiertes Messsignal 164 aus dem Messsignal und der Kompensationsgröße 166 bestimmt. Schließlich wird der Anteil des Gases aus dem korrigierten Messsignal 164 bestimmt.For example, the measurement signal 164 of the sensor 100, an oxygen signal 172 and other input variables 174 are supplied to the compensation model, it being possible for the latter two to be detected by the sensor 100 or by another sensor. Based on a sensor service life indicated by an arrow 162 and as a function of the load situation 152, the signal processing 152 then determines the compensation variable. At least one corrected measurement signal 164 is then determined from the measurement signal and the compensation variable 166 . Finally, the proportion of the gas is determined from the corrected measurement signal 164 .

Claims

Method for operating a sensor (100) for determining at least a proportion of a gas in a measurement gas space, in particular for detecting at least a proportion of a molecular measurement gas component and/or a measurement gas component with bound oxygen in a measurement gas, the sensor (100) having a sensor element (110 ), wherein the sensor element (110) has at least one pump cell (112, 140) with at least two pump electrodes (114, 116, 142, 144) connected to one another by at least one solid electrolyte, wherein a first pump electrode (114, 142) can be exposed to the gas and a second pumping electrode (116, 144) through at least a porous diffusion barrier (128) separated from the gas and arranged in a cavity (126) in the solid electrolyte (117), the method comprising: - determining a measurement signal (154) indicating the proportion of the gas based on a pump current of the pump cell (112, 140), - determining a compensation variable (158, 160, 166) by means of signal processing (152), the compensation variable (158, 160, 166) being at least partially dependent on an installation position of the sensor (100) and/ or from a load situation of the sensor (100), - determining at least one corrected measurement signal (164) from the measurement signal (154) and the compensation variable (158, 160, 166), and - determining the proportion of the gas from the corrected measurement signal (164) .

Method according to the preceding claim, wherein the compensation variable (158, 160, 166) dependent on the installation position of the sensor (100) is taken from a database, in particular at least one lookup table.

Method according to the preceding claim, wherein the database is determined by means of endurance testing of sensors for determining at least a portion of a gas in a measurement gas space.

Method according to one of the preceding claims, the compensation variable (158, 160, 166) dependent on the load situation of the sensor (100) being determined by means of a compensation model (168).

Method according to the preceding claim, wherein at least one input variable selected from the group consisting of: Measurement signal(s) of the sensor (100), heating capacity of the sensor (100), sample gas temperature, current past operating time of the sensor (100), number of sensor starts, sample gas speed and supply voltage.

Method according to the preceding claim, wherein an integral value, a current value or a gradient over time of the input variable (170) is used.

Method according to one of the three preceding claims, wherein measurement signals from endurance testing of sensors for determining at least a proportion of a gas in a measurement gas chamber are used as a reference for the compensation model (168).

Method according to one of the preceding claims, in which the signal processing comprises an adaptive determination of the compensation variable (158, 160, 166).

Computer program which is set up to carry out each step of the method according to one of the preceding claims.

Electronic storage medium on which a computer program according to the preceding claim is stored.

Electronic control unit (122) comprising an electronic storage medium according to the preceding claim.

Sensor (100) for determining at least a proportion of a gas in a measurement gas space, in particular for detecting at least a proportion of a molecular measurement gas component and/or a measurement gas component with bound oxygen in a measurement gas, the sensor having a sensor element, the sensor element (110) having at least a pump cell (112, 140) with at least two pump electrodes (114, 116, 142, 144) connected to one another by at least one solid electrolyte, with a first pump electrode (114, 142) being exposable to the gas and a second pump electrode (116, 144) being exposed at least one porous diffusion barrier (128) separated from the gas and arranged in a cavity (126) in the solid electrolyte (117), the sensor (100) further comprising an electronic control unit (122) according to the preceding claim.