DE10163912A1 - Gas sensor, especially lambda probe - Google Patents
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Abstract
Es wird ein Gassensor, insbesondere eine Lambda-Sonde, beschrieben mit einer ersten, einem Meßgas ausgesetzten Elektrode (13), einer zweiten, einem Referenzgas ausgesetzten Elektrode (8), und mit einer Regel- und Auswerteschaltung (20). Die Regel- und Auswerteschaltung (20) bewirkt nach Erhalt eines Signals über Betriebszustände, bei denen das Meßgas zumindest weitgehend oder in der Konzentration einer Gaskomponente dem Referenzgas entspricht, daß das Meßsignal automatisch mit einem vorgegebenen Wert vergleichbar ist.A gas sensor, in particular a lambda probe, is described with a first electrode (13) exposed to a measurement gas, a second electrode (8) exposed to a reference gas, and with a control and evaluation circuit (20). After receiving a signal about operating states in which the measurement gas corresponds at least largely or in the concentration of a gas component to the reference gas, the control and evaluation circuit (20) causes the measurement signal to be automatically compared with a predetermined value.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Gassensor und ein Verfahren zum Betrieb desselben nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche. The invention relates to a gas sensor and a Method of operating the same according to the genus independent claims.
Elektrochemische Gassensoren in Form von Lambda-Sonden werden in großer Zahl in Abgassystemen von Verbrennungsmotoren in Kraftfahrzeugen eingesetzt, um für die Motorsteuerung Signale über die Abgaszusammensetzung bereitstellen zu können. Auf diese Weise läßt sich der Motor so betreiben, daß die Abgase eine optimale Zusammensetzung für eine Nachbehandlung mit im Abgassystem heute üblicherweise vorhandenen Katalysatoren haben. Electrochemical gas sensors in the form of lambda probes are used in large numbers in exhaust systems of internal combustion engines used in motor vehicles to control the engine Provide signals about the exhaust gas composition can. In this way, the engine can be operated so that the exhaust gases an optimal composition for a Aftertreatment with those usually present in the exhaust system today Have catalysts.
Eine derartige Lambda-Sonde ist beispielsweise aus der DE 37 44 206 A1 bekannt und für einen großen Meßbereich geeignet. Die Lambda-Sonde weist eine elektrochemische Nernst- oder Konzentrationszelle sowie eine elektrochemische Pumpzelle auf. An die Pumpelektroden der Pumpzelle wird eine externe elektrische Spannung angelegt, so daß zwischen den Pumpelektroden ein Sauerstoff-Ionenstrom erzeugt wird, dessen Richtung von der Polarität der angelegten Spannung abhängt und dessen Stärke von der Höhe der angelegten Pumpspannung bestimmt wird. Die Pumpspannung zwischen den Pumpelektroden wird so eingeregelt, daß zwischen den Elektroden der Nernstzelle immer eine elektrische Spannung mit vorgegebenem Sollwert aufrechterhalten bleibt. Die Stärke des zwischen den Pumpelektroden auftretenden Pumpstroms wird als Signal verwendet, welches mit der Zusammensetzung des zu sensierenden Gasgemischs und somit beispielsweise mit dessen Lambda-Wert korreliert ist. Such a lambda probe is, for example, from the Known from DE 37 44 206 A1 and for a large measuring range suitable. The lambda probe has an electrochemical Nernst or concentration cell as well as an electrochemical Pump cell on. One is attached to the pump electrodes of the pump cell external electrical voltage applied so that between the Pump electrodes an oxygen ion current is generated its direction from the polarity of the applied voltage depends and its strength on the amount of the created Pump voltage is determined. The pump voltage between the Pump electrodes are adjusted so that between the electrodes the Nernst cell always with an electrical voltage specified setpoint is maintained. The strength of the Pump current occurring between the pump electrodes is called Signal used, which with the composition of the sensing gas mixture and thus, for example, with it Lambda value is correlated.
Hinsichtlich der Meßgenauigkeit der eingangs beschriebenen Gassensoren ist zu berücksichtigen, daß Verschmutzungen und Alterungsprozesse, insbesondere an den Elektroden, die Eigenschaften der Sensoren verändern. Darüber hinaus haben auch die Betriebsweise und -dauer Einfluß auf die Sensorsignale. With regard to the measuring accuracy of those described at the beginning Gas sensors must take into account that contamination and Aging processes, especially on the electrodes that Change the properties of the sensors. Beyond that also the mode of operation and duration influence the Sensor signals.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Gassensor bereitzustellen, der auch bei Einsatz in korrosiven Gasgemischen eine hohe Standzeit und eine gute Meßgenauigkeit aufweist. The object of the present invention is a gas sensor To provide that even when used in corrosive Gas mixtures have a long service life and good measuring accuracy having.
Der erfindungsgemäße Gassensor bzw. das Verfahren zum Betrieb desselben mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Ansprüche löst in vorteilhafter Weise die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß eine Regel- und Auswerteschaltung des Gassensors ein Signal über Betriebszustände erhält bzw. erfaßt, bei denen das Meßgas zumindest weitgehend dem Referenzgas entspricht, und während solcher Betriebszustände das Meßsignal automatisch mit einem vorgebenen Wert verglichen und gegebenenfalls auf den vorgegebenen Wert kalibriert wird. The gas sensor according to the invention and the method for Operation of the same with the characteristic features of independent claims advantageously solves the Invention underlying task. According to the invention provided that a control and evaluation circuit of the gas sensor receives or detects a signal about operating states at which the measurement gas is at least largely the reference gas corresponds, and during such operating conditions, the measurement signal automatically compared with a specified value and if necessary, calibrated to the specified value.
Die Erfindung nutzt die Tatsache, daß beim Betrieb von Verbrennungsmotoren und -anlagen regelmäßig, etwa vor dem Einschalten bzw. nach dem Ausschalten des Motors bzw. der Anlage, Betriebsphasen auftreten, während der das mit der Diffusionskammer des Gassensors kommunizierende Meßgas einem Referenzgas entspricht und dementsprechend der Lambda-Wert des Meßgases zu diesem Zeitpunkt bekannt ist. The invention takes advantage of the fact that when operating Internal combustion engines and systems regularly, for example before Switch on or after switching off the motor or the Plant, operating phases occur during which that with the Diffusion chamber of the gas sensor communicating a measuring gas Corresponds to the reference gas and accordingly the lambda value of the Measuring gas is known at this time.
Die Erfindung beruht nun auf dem allgemeinen Gedanken, diese Betriebsphasen mit bekanntem Lambda-Wert zur regelmäßigen Kontrolle bzw. Kalibrierung der Meßsignale des Gassensors zu nutzen. The invention is based on the general idea of this Operating phases with a known lambda value for regular Control or calibration of the measurement signals of the gas sensor use.
Damit kann der Einfluß von Alterungsprozessen und Verschmutzungen auf die Sensorsignale automatisch kompensiert werden. Im Ergebnis wird also eine ständige Adaption des Gassensors zur Kompensation einer unvermeidbaren Drift der Sensorsignale vorgenommen. The influence of aging processes and Contamination on the sensor signals can be automatically compensated. The result is a constant adaptation of the gas sensor to compensate for an inevitable drift of the Sensor signals made.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß die Regel- und Auswerteschaltung das Übersetzungsverhältnis eines Analog-Digital-Wandlers steuert, der die ihm eingangsseitig zuführbare Stellgröße in das digitale Meßsignal übersetzt. According to a particularly preferred embodiment provided that the control and evaluation circuit Control ratio of an analog-digital converter that controls the manipulated variable that can be fed to it on the input side into the digital one Measuring signal translated.
Des weiteren ist bevorzugt vorgesehen, die an die Pumpelektroden der Pumpzelle anzulegende Pumpspannung periodisch und/oder bei vorgebbaren Betriebsphasen gegenüber dem normalen Pumpbetrieb umzupolen, so daß Polarisationseffekte im Keramikkörper abgebaut und damit verbundene Änderungen der Sensorsignale vermieden werden. Furthermore, it is preferably provided that the Pump electrodes of the pump cell pump voltage to be applied periodically and / or with specifiable operating phases compared to the reverse the polarity of normal pumping, so that polarization effects degraded in the ceramic body and related changes the sensor signals can be avoided.
Während des Betriebes mit umgekehrter Pumprichtung werden von der Regel- und Auswerteschaltung die vor der Stromumkehrung ermittelten Meßwerte festgehalten. During operation with the pumping direction reversed from the control and evaluation circuit which before Current reversal determined measured values.
Weitere vorteilhafte Merkmale gehen aus den Ansprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung hervor. Further advantageous features emerge from the claims as well the following description.
Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Lambda-Sonden sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend näher erläutert. Exemplary embodiments of lambda probes according to the invention are shown in the drawings and are described in more detail below explained.
Dabei zeigen Show
Fig. 1 einen Querschnitt einer Lambda-Sonde im Bereich des in den Strom des Meßgases hineinragenden heißen Ende des Sondenkörpers, Fig. 1 shows a cross section of an oxygen sensor in the region of which projects into the flow of the measurement gas hot end of the probe body,
Fig. 2 bis 4 schematisierte Darstellungen zur Regel- bzw. Auswerteschaltung. Fig. 2 to 4 schematic representations of the control or evaluation circuit.
Gemäß Fig. 1 weist der erfindungsgemäße Gassensor einen Körper 1 auf, welcher als keramisches Laminat ausgebildet ist. Dabei ist eine erste Schicht 2 vorzugsweise in Form einer dickeren Folie aus Zirkondioxid vorgesehen. Darüber ist eine elektrisch isolierende Doppelschicht 3 angeordnet, in der eine elektrische Widerstandsheizung 4 sowie die zugehörigen Leiterbahnen zur elektrischen Stromzuführung eingebettet sind. Über der Doppelschicht 3 liegt eine beispielsweise durch Siebdruck erzeugte und strukturierte Schicht 5, innerhalb der ein Referenzluftkanal 6 ausgespart ist, welcher an einem Ende eine Öffnung für ein Referenzgas aufweist. Referring to FIG. 1, the gas sensor according to the invention comprises a body 1 which is formed as a ceramic laminate. A first layer 2 is preferably provided in the form of a thicker zirconium dioxide film. An electrically insulating double layer 3 is arranged above it, in which an electrical resistance heater 4 and the associated conductor tracks for electrical current supply are embedded. Above the double layer 3 is a layer 5 , which is produced and structured, for example by screen printing, within which a reference air channel 6 is cut out, which has an opening for a reference gas at one end.
Grundsätzlich kann die Schicht 5 auch durch eine Folie aus keramischem Material gebildet sein, in der der Kanal 6 ausgestanzt ist. In principle, the layer 5 can also be formed by a film made of ceramic material, in which the channel 6 is punched out.
Über der Schicht 5 liegt eine weitere Festelektrolytschicht 7, wobei zumindest im Bereich des geschlossenen Endbereiches des Referenzgaskanales 6 auf der dem Referenzluftkanal 6 zugewandten Seite der Schicht 7 bzw. zwischen den Schichten 5, 7 eine vorzugsweise für Gase permeable, schichtförmige Referenzelektrode 8 aus porösem Platinmaterial angeordnet ist. Die Referenzelektrode 8 ist über eine nicht näher dargestellte, anschließende schichtförmige Leiterbahn mit einem nicht dargestellten Anschlußkontakt am Körper 1 elektrisch verbunden. A further solid electrolyte layer 7 lies above the layer 5 , with a layered reference electrode 8 made of porous platinum material, preferably permeable to gases, at least in the region of the closed end region of the reference gas channel 6 on the side of the layer 7 facing the reference air channel 6 or between the layers 5 , 7 is arranged. The reference electrode 8 is electrically connected to a connection contact (not shown) on the body 1 via a subsequent layered conductor track (not shown ) .
Oberhalb der Festelektrolytschicht 7 liegt eine strukturierte Schicht 9 mit einer großen Aussparung, welche zentrisch zu einem den Körper 1 senkrecht zu dessen Schichten durchsetzenden Abgas-Zutrittsloch 10 angeordnet ist. Innerhalb der genannten Aussparung ist unter Freilassung eines zum Zutrittsloch 10 konzentrischen Ringraumes 11 poröses Material 12 als Diffusionsbarriere gegenüber einem eindiffundierenden Meßgas angeordnet. Above the solid electrolyte layer 7 is a structured layer 9 with a large recess, which is arranged centrally to an exhaust gas access hole 10 passing through the body 1 perpendicular to its layers. A porous material 12 is arranged within the aforementioned recess, leaving an annular space 11 concentric with the access hole 10 as a diffusion barrier against a diffusing measuring gas.
Das Zutrittsloch 10 kann, wie dargestellt, als Sackloch oder abweichend von der Darstellung als eine den Körper 1 vollständig durchsetzende Öffnung ausgebildet sein. The access hole 10 can, as shown, be designed as a blind hole or, differently from the illustration, as an opening that completely penetrates the body 1 .
Im Bereich des Ringraumes 11 trägt die Festelektrolytschicht 7 eine vorzugsweise für Gase permeable, schichtförmige Nernstelektrode 13 aus porösem Platinmaterial. In the area of the annular space 11 , the solid electrolyte layer 7 carries a layer-shaped Nernst electrode 13 made of porous platinum material, which is preferably permeable to gases.
Über der Schicht 9 bzw. über dem porösen Material 12 liegt eine weitere Festelektrolytschicht 14, die auf ihrer dem Ringraum 11 zugewandten Seite sowie auf ihrer vom Ringraum 11 abgewandten Seite jeweils vorzugsweise für Gase permeable innere und äußere Pumpelektroden 15, 16 aus zumindest bereichsweise porösem Platinmaterial aufweist, wobei die Elektroden 15, 16 so geformt sind, daß sie in Draufsicht auf die Schichten des Körpers 1 den Ringraum 11 zumindest im wesentlichen überdecken. Über der Schicht 14 liegt noch eine gasdurchlässige Schutzschicht 17. Over the layer 9 or over the porous material 12 there is a further solid electrolyte layer 14 , the inner and outer pump electrodes 15 , 16 of at least partially porous platinum material, which are permeable to gases, on their side facing the annular space 11 and on their side facing away from the annular space 11 has, wherein the electrodes 15 , 16 are shaped such that they at least substantially cover the annular space 11 in a plan view of the layers of the body 1 . A gas-permeable protective layer 17 still lies over the layer 14 .
Alle Festelektrolytschichten 2, 3, 5, 7, 9, 14 sind beispielsweise in Form von Folien aus Zirkondioxid, dem Yttriumoxid beigefügt ist, gefertigt. All solid electrolyte layers 2 , 3 , 5 , 7 , 9 , 14 are manufactured, for example, in the form of films made of zirconium dioxide, to which yttrium oxide is added.
Die vorangehend beschriebene Lambda-Sonde funktioniert wie
folgt:
Das das Zutrittsloch 10 aufweisende Ende des Körpers 1 ist
im Abgasstrom bzw. in einem mit dem Abgasstrom eines
Verbrennungsmotors oder eines Heizgerätes kommunizierenden
Bereich angeordnet, während das ändere Ende des Körpers mit
einem Referenzgas, in der Regel Luft, beaufschlagt wird.
The lambda probe described above works as follows:
The end of the body 1 having the access hole 10 is arranged in the exhaust gas stream or in a region communicating with the exhaust gas stream of an internal combustion engine or a heater, while the other end of the body is acted upon by a reference gas, usually air.
Über den Referenzluftkanal 6, welcher am vorgenannten anderen Ende des Körpers 1 eine für das Referenzgas zugängliche Öffnung aufweist, gelangt das Referenzgas bis in das in Fig. 1 sichtbare Endstück des Referenzgaskanals. Über das Zutrittsloch 10 gelangt Abgas zum porösen Material 12, durch das das Abgas in den Ringraum 11 diffundiert, der dementsprechend eine Diffusionskammer bildet. Via the reference air channel 6 , which has an opening accessible to the reference gas at the aforementioned other end of the body 1, the reference gas reaches the end piece of the reference gas channel visible in FIG. 1. Exhaust gas reaches the porous material 12 via the access hole 10 , through which the exhaust gas diffuses into the annular space 11 , which accordingly forms a diffusion chamber.
Wenn das abgasseitige Ende des Körpers 1 mittels der elektrischen Widerstandsheizung 4 beheizt wird, kann zwischen der Referenzelektrode 8 und der Nernstelektrode 13 eine elektrische Spannung abgegriffen werden, deren Maß von den Sauerstoff-Partialdrücken innerhalb des Endstückes des Referenzgaskanals 6 bzw. innerhalb des Ringraumes 11 abhängt. Hierbei wird der Effekt ausgenutzt, daß die Festelektrolytschichten 2, 3, 5, 7, 9, 14 Sauerstoffionen leiten und das Platinmaterial der vorgenannten Elektroden 8, 13 die Bildung dieser Sauerstoffionen katalysiert. Dabei tritt an den Elektroden 8, 13 eine von den jeweiligen Sauerstoff-Partialdrücken abhängige Potentialdifferenz auf, die auch als Nernstspannung bezeichnet wird. If the exhaust-side end of the body 1 is heated by means of the electrical resistance heater 4 , an electrical voltage can be tapped between the reference electrode 8 and the Nernst electrode 13 , the magnitude of which depends on the oxygen partial pressures within the end piece of the reference gas channel 6 or within the annular space 11 , The effect is exploited here that the solid electrolyte layers 2 , 3 , 5 , 7 , 9 , 14 conduct oxygen ions and the platinum material of the aforementioned electrodes 8 , 13 catalyzes the formation of these oxygen ions. A potential difference that depends on the respective oxygen partial pressures occurs at the electrodes 8 , 13 and is also referred to as the Nernst voltage.
Der Sauerstoff-Partialdruck im Ringraum 11 kann durch Anlegen einer externen elektrischen Spannung mit steuerbarer Polarität gesteuert werden. Die entsprechende Spannungsquelle wird an nicht dargestellte Kontakte angeschlossen, die mit den Pumpelektroden 15, 16 elektrisch verbunden sind, beispielsweise über im Laminat des Körpers 1 eingearbeitete Leiterbahnen. The oxygen partial pressure in the annular space 11 can be controlled by applying an external electrical voltage with controllable polarity. The corresponding voltage source is connected to contacts, not shown, which are electrically connected to the pump electrodes 15 , 16 , for example via conductor tracks incorporated in the laminate of the body 1 .
Das Platinmaterial der Elektroden 15, 16 katalysiert die Gleichgewichtsreaktion von Sauerstoffionen zu molekularem Sauerstoff, wobei durch die externe elektrische Spannung zwischen den Elektroden 15, 16 ein Sauerstoffionenstrom mit von der elektrischen Spannung und deren Polarität abhängiger Stärke und Richtung erzeugt wird. Die Stärke des Pumpstroms zwischen den Pumpelektroden 15, 16 wird als elektrisches Signal abgegriffen. Beispielsweise kann durch Erfassung von Spannung und Stromstärke der elektrische Widerstand des über die Pumpelektroden führenden Stromkreises bestimmt werden. The platinum material of the electrodes 15, 16 catalyzes the equilibrium reaction of oxygen ions to molecular oxygen, being generated by the external electrical voltage between the electrodes 15, 16 is an oxygen ion current with the electrical voltage and the polarity-dependent magnitude and direction. The strength of the pump current between the pump electrodes 15 , 16 is tapped off as an electrical signal. For example, the electrical resistance of the circuit leading across the pump electrodes can be determined by detecting the voltage and current.
Nunmehr wird die Pumpspannung und damit auch der zwischen den Pumpelektroden 15, 16 fließende Pumpstrom mittels eines Reglers so gesteuert, daß die zwischen der Referenzelektrode 8 und der Nernstelektrode 13 abgreifbare Nernstspannung immer einem festgelegten Sollwert entspricht. Damit ist der zwischen den Pumpelektroden 15, 16 abgreifbare elektrische Strom ein Maß für den Sauerstoffgehalt der Abgase relativ zum Referenzgas. Now the pump voltage and thus also the pump current flowing between the pump electrodes 15 , 16 is controlled by means of a regulator so that the Nernst voltage that can be tapped between the reference electrode 8 and the Nernst electrode 13 always corresponds to a fixed target value. The electrical current that can be tapped between the pump electrodes 15 , 16 is thus a measure of the oxygen content of the exhaust gases relative to the reference gas.
Wenn die äußere Pumpelektrode 16 gegenüber der inneren Pumpelektrode 15 ein kleineres elektrisches Potential aufweist, entsprechen die Betriebsverhältnisse einem Abgas mit λ < 1. Bei umgekehrter Polarität liegen Betriebsverhältnisse mit einem Lambda-Wert von λ > 1 vor. If the outer pump electrode 16 has a smaller electrical potential than the inner pump electrode 15 , the operating conditions correspond to an exhaust gas with λ <1. With reversed polarity, there are operating conditions with a lambda value of λ> 1.
Die Werte von λ können somit innerhalb eines großen Wertebereiches erfaßt werden. The values of λ can thus be within a large Value range can be recorded.
Die in Fig. 2 dargestellte Regel- und Auswerteschaltung 20 ist über entsprechende Anschlüsse mit der Referenzelektrode 8 sowie den Pumpelektroden 15, 16 verbunden, wobei die innere Pumpelektrode 15 innerhalb der Lambda-Sonde mit der Nernstelektrode 13 elektrisch verbunden ist, so daß der zur inneren Pumpelektrode 15 führende Anschluß der Regel- und Auswerteschaltung 20 auch elektrische Verbindung mit der Nernstelektrode 13 hat. The control and evaluation circuit 20 shown in Fig. 2 is connected via corresponding connections to the reference electrode 8 and the pump electrodes 15 , 16 , the inner pump electrode 15 within the lambda probe being electrically connected to the Nernst electrode 13 , so that the inner one Pump electrode 15 leading connection of the control and evaluation circuit 20 also has an electrical connection with the Nernst electrode 13 .
Wie oben bereits erläutert wurde, wird beim Betrieb der Lambda-Sonde die elektrische Spannung VNist zwischen der Nernstelektrode 13 (bzw. der damit elektrisch verbundenen inneren Pumpelektrode 15) und der Referenzelektrode 8 erfaßt und mit einer vorgegebenen Sollspannung VNsoll verglichen. In Abhängigkeit von der Soll-Istwert-Abweichung zwischen den beiden Spannungen wird die Stromquelle 21 des die Pumpelektroden 15, 16 enthaltenden Pumpstromkreises gesteuert, beispielsweise dadurch, daß die elektrische Spannung der Pumpstromquelle 21 zur Erhöhung des Pumpstromes bzw. zur Absenkung des Pumpstromes angehoben oder abgesenkt wird. As already explained above, the electrical voltage V Nist between the Nernst electrode 13 (or the inner pump electrode 15 electrically connected to it) and the reference electrode 8 is detected during operation of the lambda probe and compared with a predetermined target voltage V Nset . Depending on the setpoint-actual value deviation between the two voltages, the current source 21 of the pump circuit containing the pump electrodes 15 , 16 is controlled, for example, by raising or lowering the electrical voltage of the pump current source 21 to increase the pump current or to reduce the pump current becomes.
Von der Pumpstromquelle 21 wird ein analoges elektrisches Ausgangssignal L erzeugt, welches beispielsweise mit der gesteuerten Pumpspannung, d. h. der vom Regler gesteuerten Stellgröße des Pumpstromkreises, übereinstimmen kann. Dieses Ausgangssignal L wird der Eingangsseite eines Analog- Digital-Wandlers 22 zugeführt, der ausgangsseitig ein digitales Signal erzeugt, das den Meßwert für λ repräsentiert. An analog electrical output signal L is generated by the pump current source 21 , which can for example match the controlled pump voltage, ie the manipulated variable of the pump circuit controlled by the controller. This output signal L is fed to the input side of an analog-digital converter 22 , which generates a digital signal on the output side, which represents the measured value for λ.
Eine Besonderheit der Erfindung liegt nun darin, daß die Regel- und Auswerteschaltung 20 über einen Eingang 23 besondere Betriebszustände des mit der Lambda-Sonde überwachten Gesamtsystems in Form eines Verbrennungsmotors, Heizgerätes od. dgl. erhält. A special feature of the invention is that the control and evaluation circuit 20 receives, via an input 23, special operating states of the overall system monitored by the lambda probe in the form of an internal combustion engine, heater or the like.
Bei Betriebszuständen, bei denen das zu sensierende Meßgas in seiner Zusammensetzung weitgehend dem Referenzgas entspricht oder beispielsweise in seiner Sauerstoffkonzentration übereinstimmt, wird das Übersetzungsverhältnis des Analog-Digital-Wandlers 22 automatisch dahingehend überprüft, ob das digitale Ausgangssignal des Wandlers 22 einem vorgegebenen Wert entspricht. Bei Abweichungen kann das Übersetzungsverhältnis automatisch so eingestellt werden, daß das digitale Ausgangssignal dem vorgegebenen Wert entspricht. In operating states in which the measurement gas to be sensed largely corresponds to the reference gas in its composition or, for example, matches its oxygen concentration, the transmission ratio of the analog-digital converter 22 is automatically checked to determine whether the digital output signal of the converter 22 corresponds to a predetermined value. In the event of deviations, the gear ratio can be set automatically so that the digital output signal corresponds to the specified value.
Auf diese Weise können Betriebszustände, bei denen die Lambda-Sonde abgasseitig und referenzgasseitig jeweils von Luft beaufschlagt wird, zur regelmäßigen Kalibrierung der Regel- und Auswerteschaltung 20 herangezogen werden, um A1- terungsprozesse der Lambda-Sonde zu kompensieren. Derartige Betriebszustände treten beispielsweise bei einem Stillstand des entsprechenden Heizgeräts, Verbrennungsmotors etc. als Gesamtsystem auf. Eine entsprechende Stillstandsmeldung kann von einem weiteren Steuergerät des Gesamtsystems an die Regel- und Auswerteschaltung 20 ergehen. In this way, operating states in which air is acted upon by the lambda probe on the exhaust gas and reference gas sides can be used for the regular calibration of the control and evaluation circuit 20 in order to compensate for aging processes of the lambda probe. Such operating states occur, for example, when the corresponding heater, internal combustion engine etc. is at a standstill as an overall system. A corresponding standstill message can be sent from another control unit of the overall system to the control and evaluation circuit 20 .
Bei dem vorgenannten Luft-Luft-Betrieb der Lambda-Sonde ergeben sich grundsätzlich sehr hohe Lambda-Werte, d. h. das analoge elektrische Ausgangssignal L der Pumpstromquelle 21 hat einen gegenüber dem normalen Verbrennungsbetrieb des Gesamtsystems in Form eines Motors bzw. Heizgerätes extremen Pegel. In the aforementioned air-air operation of the lambda probe, there are basically very high lambda values, ie the analog electrical output signal L of the pump current source 21 has an extreme level compared to the normal combustion operation of the overall system in the form of a motor or heater.
Gegebenenfalls kann dieser Pegel außerhalb des Arbeitsbereiches des Analog-Digital-Wandlers 22 liegen. Um gleichwohl eine regelmäßige Eichung bei Luft-Luft-Betrieb der Lambda- Sonde vornehmen zu können, kann das analoge Ausgangssignal L der Pumpstromquelle 21 dem Analog-Digital-Wandler 22 über einen Spannungsteiler zugeführt werden, der durch Widerstände 24 und 25 gebildet wird. Dieser Spannungsteiler kann durch Schließen eines Schalters 26 wirksam geschaltet werden. If necessary, this level can lie outside the working range of the analog-digital converter 22 . In order nevertheless to be able to carry out a regular calibration in air-air operation of the lambda probe, the analog output signal L of the pump current source 21 can be supplied to the analog-digital converter 22 via a voltage divider, which is formed by resistors 24 and 25 . This voltage divider can be activated by closing a switch 26 .
Während bei normalem Verbrennungsbetrieb das analoge Ausgangssignal L unmittelbar über den Widerstand 24 zum Eingang des Analog-Digital-Wandler 22 geführt wird, wird bei Luft- Luft-Betrieb der Schalter 26 geschlossen, so daß dem Analog- Digital-Wandler 22 anstelle des analogen Ausgangssignales L mit relativ hohem Pegel ein verändertes Ausgangssignal zugeführt wird, dessen Pegel gegenüber dem Pegel des Ausgangssignales L um einen Faktor vermindert ist, dessen Wert durch die Bemessung der Widerstände 24, 25 festgelegt ist. While in normal combustion operation the analog output signal L is passed directly through the resistor 24 to the input of the analog-digital converter 22 , the switch 26 is closed in air-air operation, so that the analog-digital converter 22 instead of the analog output signal L is supplied with a relatively high level, a changed output signal, the level of which is reduced by a factor compared to the level of the output signal L, the value of which is determined by the dimensioning of the resistors 24 , 25 .
Die automatische Kalibrierung der Regel- und Auswerteschaltung 20 erfolgt also bei Luft-Luft-Betrieb in der Weise, daß zunächst der Schalter 26 geschlossen und sodann der Analog- Digital-Wandler 22 in seinem Übersetzungsverhältnis automatisch überprüft und ggf. so verändert wird, daß das Ausgangssignal des Wandlers 22 einen vorgegebenen Wert hat. The automatic calibration of the control and evaluation circuit 20 thus takes place in air-air operation in such a way that first the switch 26 is closed and then the analog-to-digital converter 22 is automatically checked in its transmission ratio and, if necessary, changed so that the Output signal of the converter 22 has a predetermined value.
Beim nachfolgenden normalen Meßbetrieb wird der Schalter 26 wieder geöffnet. In the subsequent normal measuring operation, the switch 26 is opened again.
Grundsätzlich kann der Analog-Digital-Wandler 22 durch andere Elemente ersetzt werden, beispielsweise durch einen analog arbeitenden Verstärker mit steuerbarem Verstärkungsfaktor. Auch hier besteht die Möglichkeit, das analoge Ausgangssignal L der Pumpstromquelle 21 bzw. ein gegenüber diesem Ausgangssignal L mittels eines Spannungsteilers verändertes Signal in ein vorgegebenes Ausgangssignal umzusetzen. In principle, the analog-to-digital converter 22 can be replaced by other elements, for example by an analog amplifier with a controllable gain factor. Here, too, there is the possibility of converting the analog output signal L of the pump current source 21 or a signal which has been changed compared to this output signal L by means of a voltage divider into a predetermined output signal.
Um Polarisationseffekte an den Elektroden der Lambda-Sonde abzubauen und dementsprechend eine Veränderung der Meßwerte durch Polarisationseffekte zu vermeiden, kann gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen sein, den zwischen den Pumpelektroden 15, 16 fließenden Pumpstrom und damit die Bewegungsrichtung der gepumpten Sauerstoffionen periodisch umzukehren, indem den Pumpelektroden 15, 16 ein Rechtecksignal mit extremem Tastverhältnis zugeführt wird. Dies bedeutet, daß die normalerweise als Kathode geschaltete innere Pumpelektrode 15 zumindest kurzzeitig anodisch belastet wird. Die Frequenz des Rechtecksignales kann sehr niedrig sein, derart, daß sich eine Rechteck-Wellenlänge von 10 s ergibt. Dieser Sachverhalt ist graphisch in Fig. 3 verdeutlicht, in der der über die äußere Pumpelektrode 16 fließende Pumpstrom Ip in Abhängigkeit von der Zeit t dargestellt ist. In order to reduce polarization effects on the electrodes of the lambda probe and accordingly to avoid a change in the measured values due to polarization effects, it can be provided according to a preferred embodiment of the invention to periodically reverse the pump current flowing between the pump electrodes 15 , 16 and thus the direction of movement of the pumped oxygen ions, by feeding a square wave signal with extreme duty cycle to the pump electrodes 15 , 16 . This means that the inner pump electrode 15 , which is normally connected as a cathode, is anodically loaded at least for a short time. The frequency of the square-wave signal can be very low, so that a square-wave wavelength of 10 s results. This state of affairs is illustrated graphically in FIG. 3, in which the pump current I p flowing over the outer pump electrode 16 is shown as a function of the time t.
Dabei wird der Effektivwert Ipeff dieses Stromes so eingestellt, daß im zeitlichen Mittel zwischen der Nernstelektrode 13 (bzw. der inneren Pumpelektrode 15) und der Referenzelektrode 8 die oben erwähnte Spannung mit vorgegebenem Sollwert abgegriffen werden kann. The effective value I peff of this current is set so that the above-mentioned voltage can be tapped with a predetermined setpoint on average over time between the Nernst electrode 13 (or the inner pump electrode 15 ) and the reference electrode 8 .
Während des Pumpbetriebes in Umkehrrichtung wird das dem Wandler 22 zugeführte Signal vorzugsweise unterdrückt. During the pumping operation in the reverse direction, the signal supplied to the converter 22 is preferably suppressed.
Die Umkehrung der Pumprichtung kann auch dadurch erzwungen werden, daß der an die Referenzelektrode 8 angeschlossene Eingang der Regel- und Auswerteschaltung 20 mit dem elektrisch positiven Pol einer elektrischen Spannungsquelle verbunden wird. The reversal of the pumping direction can also be forced in that the input of the control and evaluation circuit 20 connected to the reference electrode 8 is connected to the electrically positive pole of an electrical voltage source.
Dies kann gemäß Fig. 4a beispielsweise entweder mittels eines Umschalters 27 in der Leitung zwischen der Referenzelektrode 8 und dem dieser Elektrode 8 zugeordneten Eingang der Regel- und Auswerteschaltung 20 erfolgen. Dieser Umschalter 27 verbindet den vorgenannten Eingang entweder mit der Referenzelektrode 8 oder dem positiven Pol der genannten Spannungsquelle. This can according to Fig. 4a, for example, either by means of a changeover switch 27 in the line between the reference electrode of this electrode 8 and the carried 8 associated input of the control and evaluation circuit 20. This switch 27 connects the aforementioned input either to the reference electrode 8 or to the positive pole of the voltage source mentioned.
Statt dessen ist es gemäß Fig. 4b auch möglich, an der Verbindungsleitung zwischen der Referenzelektrode 8 und dem zugeordneten Eingang der Regel- und Auswerteschaltung 20 einen Abzweig mit Ableitwiderstand 28 vorzusehen, über den die genannte Verbindungsleitung bei Schließen eines Schalters 29 mit der elektrisch positiven Seite einer Spannungsquelle verbindbar ist. Instead, according to FIG. 4b, it is also possible to provide a branch with a bleeder resistor 28 on the connecting line between the reference electrode 8 and the associated input of the control and evaluation circuit 20 , via which said connecting line when the switch 29 is closed with the electrically positive side a voltage source is connectable.
Gegebenenfalls kann der umgekehrte Pumpbetrieb vergleichweise selten, beispielsweise nach mehreren Stunden, vorgenommen werden, um Polarisationseffekte abzubauen. Damit besteht die Möglichkeit, den umgekehrten Pumpbetrieb in Betriebspausen des mit der Lambda-Sonde überwachten Verbrennungsmotors, Heizgerätes od. dgl. zu legen. Umgekehrt ist es auch möglich, zur Schonung der betroffenen Elektroden 8, 13, 15 den umgekehrten Pumpbetrieb mit dann vergleichsweise geringer Pumpspannung dauerhaft aufrechtzuerhalten und nur kurzzeitig für einen Meßbetrieb zu unterbrechen. Alternativ ist auch ein periodischer Wechsel von Meß- und Regenerationsbetrieb möglich. If necessary, the reverse pumping operation can be carried out comparatively rarely, for example after several hours, in order to reduce polarization effects. This makes it possible to put the reverse pumping operation into breaks in operation of the internal combustion engine, heater or the like monitored by the lambda probe. Conversely, it is also possible, in order to protect the electrodes 8 , 13 , 15 concerned, to permanently maintain the reverse pumping operation with a comparatively low pump voltage and to interrupt it only briefly for a measuring operation. Alternatively, a periodic change from measurement and regeneration operation is also possible.
Die Zahl der Kalibrierungs- bzw. Regenerationsvorgänge kann erfaßt werden und bei Überschreitung einer vorgebbaren Zahl von Vorgängen pro definierter Zeiteinheit kann ein Fehlersignal ausgelöst werden, da entweder ein Defekt des Gassensors vorliegen kann oder bei Anwendung in einem Heizgerät auf das Eindringen von Fremdabgasen in das Heizsystem geschlossen werden kann. The number of calibration or regeneration processes can be recorded and if a predeterminable number is exceeded of operations per defined time unit can be Error signal are triggered because either a defect in the gas sensor may be present or when used in a heater on the Penetration of external exhaust gases into the heating system closed can be.
Zur Minimierung von Polarisationseffekten kann zusätzlich vorgesehen sein, das Gaszutrittsloch 10 in Fig. 1 mit sehr kleinem Durchmesser, z. B. 0,2 mm bis 0,3 mm, auszubilden, wobei zusätzlich auch die Porosität des porösen Materials 12 vermindert sein kann. In order to minimize polarization effects, the gas access hole 10 in FIG. 1 can also be provided with a very small diameter, e.g. B. 0.2 mm to 0.3 mm, in addition, the porosity of the porous material 12 may also be reduced.
Auf diese Weise wird der Gaszutritt in die Diffusionskammer 11 eingeschränkt, mit der Folge, daß sich der notwendige Pumpstrom vermindert. Dies führt dazu, daß zwischen den Pumpelektroden 15 und 16 vergleichsweise geringe Stromdichten auftreten und die Stromdichten an der inneren Pumpelektrode 15 unterkritisch werden. In this way the gas access into the diffusion chamber 11 is restricted, with the result that the necessary pump current is reduced. As a result, comparatively low current densities occur between the pump electrodes 15 and 16 and the current densities at the inner pump electrode 15 become subcritical.
Auch durch eine sehr großflächige innere Pumpelektrode 15 können die Stromdichten vermindert werden. The current densities can also be reduced by a very large inner pump electrode 15 .
Außerdem ist vorteilhaft, wenn der Keramikkörper 1 mit verminderter Temperatur gesintert wird und die Pumpelektroden 15 und 16 bzw. das Keramikmaterial des Keramikkörpers 1 nur einen geringen Eisengehalt aufweisen. It is also advantageous if the ceramic body 1 is sintered at a reduced temperature and the pump electrodes 15 and 16 or the ceramic material of the ceramic body 1 have only a low iron content.
Im Hinblick auf den Wirkungsgrad der Lambda-Sonde ist es vorteilhaft, die elektrische Widerstandsheizung 4 so auszubilden, daß die Heizleistung an den Elektroden 8, 13, 15, 16 konzentriert wird. Dies kann insbesondere dadurch erreicht werden, daß die Widerstandsheizung einerseits breite Leiterbahnen als Zuleitungen bzw. Anschlüsse aufweist und andererseits der mäanderförmige Heizleiter schmaler ausgebildet ist. With regard to the efficiency of the lambda probe, it is advantageous to design the electrical resistance heater 4 in such a way that the heating power is concentrated at the electrodes 8 , 13 , 15 , 16 . This can be achieved in particular in that the resistance heater on the one hand has wide conductor tracks as supply lines or connections and on the other hand the meandering heating conductor is made narrower.
Außerdem werden die Schichten des den Keramikkörper 1 bildenden Laminates vorzugsweise mit geringer Schichtstärke, beispielsweise 0,25 mm ausgebildet, um die Wärmekapazität des Keramikkörpers zu vermindern. In addition, the layers of the laminate forming the ceramic body 1 are preferably formed with a low layer thickness, for example 0.25 mm, in order to reduce the heat capacity of the ceramic body.
Zweckmäßig ist darüber hinaus, die Heiztemperatur an den Elektroden (8, 13, 15, 16) auf etwa 750°C bis 850°C, vorzugsweise 780 bis 800°C zu erhöhen, indem die Widerstandsheizung mit einer erhöhten elektrischen Heizspannung, beispielsweise 10 V, beaufschlagt wird. Durch die höhere Temperatur werden Polarisationseffekte an den Elektroden zusätzlich vermindert. It is also expedient to increase the heating temperature at the electrodes ( 8 , 13 , 15 , 16 ) to approximately 750 ° C. to 850 ° C., preferably 780 to 800 ° C., by the resistance heating with an increased electrical heating voltage, for example 10 V. , is applied. The higher temperature also reduces polarization effects on the electrodes.
Die vorgenannten Maßnahmen bieten gegebenenfalls auch die Möglichkeit, insgesamt mit verminderter Heizleistung zu arbeiten, so daß der Wirkungsgrad erhöht wird. The aforementioned measures may also offer the Possibility to reduce overall heating output work so that the efficiency is increased.
Bei Betriebspausen des bezüglich seiner Abgase überwachten Verbrennungsmotors, Heizgerätes od. dgl. werden die Pumpspannung der Pumpstrom vorzugsweise ausgeschaltet, um eine Überlastung der Pumpelektroden 15, 16 zu vermeiden. Außerdem kann zur Einsparung von Energie die Widerstandsheizung 4 abgeschaltet werden. During breaks in operation of the internal combustion engine, heater or the like, which is monitored with regard to its exhaust gases, the pump voltage is preferably switched off in order to avoid overloading the pump electrodes 15 , 16 . In addition, the resistance heater 4 can be switched off to save energy.
Beim erneuten Starten des Verbrennungsmotors bzw. beim Einschalten des Heizgerätes sollte entweder die Möglichkeit geschaffen werden, vor dem Start des Motors bzw. dem Einschalten des Heizgerätes die Widerstandsheizung 4 einzuschalten, um einen Pumpbetrieb bei niedriger Temperatur zu vermeiden. Alternativ kann auch die Pumpspannung mit Verzögerung, beispielsweise 10 s, nach Einschalten der Widerstandsheizung 4 eingeschaltet werden, wobei dann sofort ein Meßbetrieb mit der Lambda-Sonde möglich ist. When the internal combustion engine is restarted or when the heater is switched on, either the possibility should be created to switch on the resistance heater 4 before the engine is started or the heater is switched on, in order to avoid pumping at a low temperature. Alternatively, the pump voltage can also be switched on with a delay, for example 10 s, after the resistance heater 4 has been switched on, in which case a measuring operation with the lambda probe is then possible immediately.
Claims (14)
zumindest einer an einer Begrenzungswand eines Referenzgaskanals (6) angeordneten Referenzelektrode (8) und einer Nernstelektrode (13), die von der Referenzelektrode (8) durch eine für Ionen, insbesondere Sauerstoffionen, leitfähige Festelektrolytschicht (7) getrennt an einer Begrenzungswand einer mit einem Meßgas über eine Diffusionsstrecke (10, 12) kommunizierenden Diffusionskammer (11) angeordnet ist, und mit
einer innerhalb dieser Diffusionskammer (11) angeordneten inneren Pumpelektrode (15) sowie einer damit durch eine Festelektrolytschicht (14) des Keramikkörpers (1) zusammenwirkenden und dem Meßgas ausgesetzten äußeren Pumpelektrode (16) sowie mit
einer elektronischen Regel- und Auswerteschaltung (20), welche einerseits einen über die Pumpelektroden (15, 16) führenden elektrischen Pumpstromkreis derart zu regeln gestattet, daß eine zwischen Referenz- und Nernstelektrode (8, 13) abgreifbare elektrische Spannung einen vorgegebenen Sollwert hat, und andererseits eine für die Regelung des Pumpstromkreises veränderbare Stellgröße in ein Meßsignal umsetzt,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Regel- und Auswerteschaltung (20) ein Signal über Betriebszustände erhält bzw. erfaßt, bei denen das Meßgas dem Referenzgas entspricht, und während solcher Betriebszustände das Meßsignal automatisch auf einen vorgegebenen Wert kalibriert. 2. Gas sensor, in particular lambda probe, with
at least one reference electrode ( 8 ) arranged on a boundary wall of a reference gas channel ( 6 ) and a Nernst electrode ( 13 ) separated from the reference electrode ( 8 ) by a solid electrolyte layer ( 7 ) which is conductive for ions, in particular oxygen ions, on a boundary wall of one with a measuring gas is arranged via a diffusion path ( 10 , 12 ) communicating diffusion chamber ( 11 ), and with
an inner pump electrode ( 15 ) arranged within this diffusion chamber ( 11 ) and an outer pump electrode ( 16 ) which interacts therewith through a solid electrolyte layer ( 14 ) of the ceramic body ( 1 ) and is exposed to the measurement gas, and with
an electronic control and evaluation circuit ( 20 ) which, on the one hand, permits control of an electrical pump circuit via the pump electrodes ( 15 , 16 ) in such a way that an electrical voltage which can be tapped between the reference and Nernst electrodes ( 8 , 13 ) has a predetermined setpoint value, and on the other hand converts a manipulated variable that can be changed to regulate the pump circuit into a measurement signal,
characterized,
that the control and evaluation circuit ( 20 ) receives or detects a signal about operating states in which the measuring gas corresponds to the reference gas, and automatically calibrates the measuring signal to a predetermined value during such operating states.
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