Titel

Verfahren zum Betreiben eines Sensors zum Nachweis mindestens eines Anteils einer Messgaskomponente mit gebundenem Sauerstoff in einem Messgas

Stand der Technik

Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl von Verfahren und 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, bekannt.

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.

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, ein modifizierte Sauerstoffpumpzelle und eine weitere modifizierte Sauerstoffpumpzelle, 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 _c -Pumpelektrode und eine Gegenelektrode. Die NO _x -Pumpelektrode befindet sich in 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.

Bei Betrieb des Stickoxid-Sensor wird der sogenannten 02-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 der Umgebungsluft 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.

Der dabei resultierende Pumpstrom lp ₂ ist somit ein Maß für die NO _x - Konzentration der Umgebungsluft im Messgas- bzw. Abgasstrom. Bei dieser Anordnung ist es wichtig, dass an der Sauerstoffzelle nicht auch die Stickoxide abgepumpt werden, da sonst an der NO _x -Zelle kein Signal mehr gemessen werden könnte. Dies wird durch eine Gold-Dotierung der 02-Zelle erreicht.

Zusätzlich darf die 02-Zelle nur bei niedrigen Pumpspannungen betrieben werden, da sonst wieder NO _x -Moleküle dissoziiert würden.

Trotz der Vorteile der aus dem Stand der Technik bekannten Sensoren und Verfahren zum Betreiben derselben, beinhalten diese noch

Verbesserungspotenzial. Die Temperatur des Sensorelements wird durch eine Pulsweitenmodulation (PWM) der Heizerversorgung (Spannung, Strom) gesteuert. Die Spannung des PWMs wird über einen Feldeffekttransistor (FET) direkt von der Versorgungspannung (12V) der Sensorsteuereinheit (SCU) abgegriffen. Dadurch liegt in der An-Phase des PWMs die SCU- Versorgungsspannung des Systems an den Heizmäander des Sensorelements in der Sensor-Probe an. Der Strom an NOx-Messsignal ist sehr klein wie beispielsweise. 4,5 mA bei 1500 ppm NOx und damit auch äußerst empfindlich gegenüber Störungen und Einkopplungen. Aufgrund der baulichen Nähe der Heizmäander zu der NOx Zelle wird während der An-Phase des PWM-Signals durch kapazitive Kopplung und Leckströme ein Strom auf die IP2 Leitung/Zelle eingeprägt. Durch diese Störung wird ein Offset zu dem tatsächlichen NOx Wert messbar. Die Anforderungen der Umweltbehörden verlangen eine kontinuierliche und verlässliche Diagnose von Leitungsunterbrechungen der IP2 Leitung.

Offenbarung der Erfindung

Es wird daher ein Verfahren zum Betreiben eines Sensors zum Nachweis mindestens eines Anteils einer Messgaskomponente mit gebundenem Sauerstoff in einem Messgas vorgeschlagen, welches die Nachteile bekannter Verfahren zum Betreiben dieser Sensoren zumindest weitgehend vermeidet und das in Intervallen von mindestens 500 ms eine sichere und kontinuierliche Diagnose erlaubt, ohne die NOx-Messwerte zu beeinflussen bzw. zu stören.

Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines Sensors zum Nachweis mindestens eines Anteils einer Messgaskomponente mit gebundenem Sauerstoff in einem Messgas, insbesondere in einem Abgas einer

Verbrennungskraftmaschine, wobei der Sensor ein Sensorelement umfasst, wobei das Sensorelement eine erste Pumpzelle, die eine äußere Pumpelektrode und eine innere Pumpelektrode aufweist und die an einem ersten Hohlraum anliegt, welcher mit dem Messgas in Verbindung steht, eine Referenzzelle, welche eine Nernst- Elektrode und eine Referenzelektrode aufweist und die an einem Referenzgasraum anliegt, und eine zweite Pumpzelle, die eine

Pumpelektrode und eine Gegenelektrode aufweist und die an einem zweiten Hohlraum anliegt, wird ein elektronisches Steuergerät, das zumindest über einen ersten gesonderten Anschluss für die erste Pumpzelle, einen zweiten

gesonderten Anschluss für die zweite Pumpzelle, einen Anschluss für eine Nernstspannung und über einen gemeinsamen Anschluss verfügt, mit dem Sensorelement verbunden, wobei die äußere Pumpelektrode mittels einer ersten mittels einer ersten elektrisch leitenden Verbindung mit dem ersten gesonderten Anschluss verbunden wird, wobei die innere Pumpelektrode mittels einer zweiten elektrisch leitenden Verbindung mit dem gemeinsamen Anschluss verbunden wird, wobei die Referenzelektrode mittels einer dritten elektrisch leitenden Verbindung mit dem Anschluss für eine Nernstspannung verbunden wird, wobei die Pumpelektrode mittels der zweiten elektrisch leitenden Verbindung mit dem gemeinsamen Anschluss verbunden wird, wobei die Gegenelektrode mittels einer vierten elektrisch leitenden Verbindung mit dem zweiten gesonderten Anschluss verbunden wird, wobei in der vierten elektrisch leitenden Verbindung ein Messwiderstand vorgesehen wird, wobei an dem gemeinsamen Anschluss eine vorbestimmte elektrische Spannung anliegt, wobei mittels des Steuergeräts eine Veränderung der vorbestimmten elektrischen Spannung für eine

vorbestimmte Zeit zum Erzeugen eines Messsignals durch geführt wird.

Durch die Spannungsanregung der gemeinsamen Bezugsgröße aller Zellen des Sensorelements wird ein auswertbares Messsignal erzeugt, beispielsweise an dem Messwiderstand, das die Unterscheidung zwischen einem offenen oder geschlossenen Stromkreis erlaubt. Mit anderen Worten, durch die Änderung der gemeinsamen Bezugsgröße, wird an dem IP2-Messshunt ein IP2-Signal durch eine äußere Anregung, insbesondere bei einem offenen Stromkreis, erzeugt. Damit lässt sich ein offener Stromkreis an der IP2-Leitung der NOx-Zelle auch während des Messbetriebs sicher erkennen. Auch in Betriebszuständen, in denen der Strom IP2 (nahezu) gleich null ist, wie beispielsweise bei 0 ppm NOx, kann eine offene IP2-Leitung detektiert werden.

Bei einer Weiterbildung ist die vorbestimmte Zeit 0,08 ms bis 2 ms und bevorzugt 0,5 ms bis 1 ms. Die exakten Zeiten sind von den Kapazitäten der Hardware und den inneren Kapazitäten der NOx-Zelle abhängig. Dies erlaubt in einer relativ kurzen Zeit ein aussagekräftiges Diagnoseergebnis zum Zustand der vierten elektrisch leitenden Verbindung zu erzielen.

Bei einer Weiterbildung wird die vorbestimmte elektrische Spannung für die vorbestimmte Zeit abgesenkt. Dadurch wird ein Stromfluss an dem

Messwiderstand erhöht und kann ausgewertet werden. Bei einer Weiterbildung wird die vorbestimmte elektrische Spannung für die vorbestimmte Zeit derart abgesenkt, dass eine Spannungsdifferenz zwischen dem zweiten gesonderten Anschluss und dem gemeinsamen Anschluss von 455 mV bis 1500mV und bevorzugt 460 mV bis 500 mV gebildet wird. Dadurch wird an dem Messhunt eine deutlich messbare Stromänderung verursacht. Wird die COM-Spannung abgesenkt, so ist der Strompuls auf der Leitung, bei intakten Leitungen, unsichtbar. Liegt eine Leitungsunterbrechung der IP2-Leitung vor, so ist eine signifikante Stromänderung über dem Messshunt erkennbar. Durch die Absenkung der COM-Spannung, bei offener Leitung, wird die

Spannungsdifferenz zwischen U _P 2 und COM-Spannung erhöht (abweichend von den nominellen 450 mV), wodurch an dem NOx Messshunt ein Spannungsabfall der einem Strom entspricht messbar ist. Wird die Absenkung bei intakter Leitung durchgeführt, werden die Ströme aus den umlade Prozessen der Hardware in die NOx Zelle geleitet und sind für den Messshunt kaum sichtbar. Dies bedeutet, dass eine Unterscheidung zwischen einer offenen Leitung und einem 0 ppm NOx-Gehalt sicher detektierbar ist.

Bei einer Weiterbildung wird die vorbestimmte elektrische Spannung für die vorbestimmte Zeit derart abgesenkt, dass eine Spannungsdifferenz zwischen dem zweiten gesonderten Anschluss und dem gemeinsamen Anschluss von 600 mV bis 1500 mV und bevorzugt 650 mV bis 1300 mV gebildet wird. Als

Alternative zur geringfügigen Absenkung kann die COM-Spannung auch um eine signifikantere Spannungsdifferenz abgesenkt werden. Die Auswirkungen auf den Messshunt sind Gasgemisch unabhängig und können jeder Zeit bei einer defekten Leitung detektiert werden.

Bei einer Weiterbildung wird die vierte elektrisch leitende Verbindung als intakt identifiziert, falls das Messsignal für die vorbestimmte Zeit keine Veränderung aufweist, und wird als defekt identifiziert, falls das Messsignal für die

vorbestimmte Zeit eine Veränderung aufweist. Entsprechend lässt sich die Diagnose zum Zustand der IP2-Leitung anhand einer Veränderung des

Stromflusses an dem Messshunt der IP2-Leitung realisieren.

Durch kurzzeitiges Absenken der Spannungen am virtuellen Ground (COM), der NOx-Zelle (IP2), 02-Zelle und auch Vs, wird an dem IP2-Messshunt eine deutlich messbare Stromänderung, bei nicht intakter IP2 Leitung, verursacht, nicht aber an den Leitungen Vs und IP1. Wird die COM-Spannung nur für eine geringe Zeit abgesenkt, so ist der Strompuls auf der Leitung, bei intakten Leitungen, kaum sichtbar, da sich die Differenz der beiden Leitungen (IP2 zu COM) kaum unterscheidet und der Strom aus den Umladeprozessen der Hardwareschaltung in die NOx-Zelle fließt und nicht über den Messshunt. Liegt ein„Open Wire“- Fehler vor, so ist eine deutliche Stromänderung über dem Messshunt erkennbar.

Bei einer Weiterbildung ist das Messsignal ein Spannungsabfall über den Messwiderstand. Dadurch kann ein gut von dem Steuergerät verarbeitbares Signal gewonnen werden.

Es wird zudem ein Computerprogramm vorgeschlagen, welches eingerichtet ist, jeden Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen.

Weiterhin wird ein elektronisches Speichermedium vorgeschlagen, auf welchem ein Computerprogramm zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gespeichert ist.

Die Erfindung umfasst darüber hinaus ein elektronisches Steuergerät, welches das erfindungsgemäße elektronische Speichermedium mit dem besagten Computerprogramm zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens enthält, umfasst.

Schließlich betrifft die Erfindung auch einen Sensor zum Nachweis mindestens eines Anteils einer Messgaskomponente mit gebundenem Sauerstoff in einem Messgas, insbesondere in einem Abgas einer Verbrennungskraftmaschine, umfassend ein Sensorelement, wobei das Sensorelement eine erste Pumpzelle, die einer äußere Pumpelektrode und eine innere Pumpelektrode aufweist und die an einem ersten Hohlraum anliegt, welcher mit dem Messgas in Verbindung steht, eine Referenzzelle, welcher eine Nernst- Elektrode und eine

Referenzelektrode aufweist und die an einem Referenzgasraum anliegt, und eine zweite Pumpzelle, die eine Pumpelektrode und eine Gegenelektrode aufweist und die an einem zweiten Hohlraum anliegt, wobei der Sensor weiterhin ein erfindungsgemäßes elektronisches Steuergerät aufweist. 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 Bräunling, 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.

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.

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.

Durch das Absenken der COM Spannung wird die UP2 Spannung um die gleiche Differenz, referenziert zu GND, abgesenkt. Dadurch entstehen im Kondensator der IP2-Leitung eine Ladungsteilchenüberkapazität, die abfließen muss und je nach dem ob die IP2 Zelle verbunden ist oder nicht, fließt der Strom

entsprechend ab. Bei verbunden Probe in die IP2-Zell rein, bei nicht verbundener Leitung in die Messvorrichtung hinein, wo der Strom als Spannungsabfall über den Shunt vom Steuergerät gemessen werden kann.

Die Erfindung ist gut und einfach durch die Überwachung der elektrischen Signale auf der COM-Leitung nachweisbar. Werden während des normalen Messbetriebs spezielle ein Spannungsänderung/Stromänderung auf der Leitung zwischen Sensor und Steuergerät mit einem Oszilloskop gemessen, so werden die in dieser Erfindung beschriebenen Schaltungen und Verfahren verwendet.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Weitere optionale Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind.

Es zeigen:

Figur 1 einen prinzipiellen Aufbau eines erfindungsgemäßen Sensors,

Figur 2 einen Teil des Sensors mit einem Teil eines daran angeschlossenen Steuergeräts, Figur 3 die zweite Pumpzelle und einen Teil des Steuergeräts als elektrisches Schaltbild,

Figur 4 ein erstes Beispiel für einen zeitlichen Verlauf von elektrischen

Spannungen und Messsignal bei dem Sensor bei intakter vierter elektrisch leitender Verbindung,

Figur 5 ein zweites Beispiel für einen zeitlichen Verlauf von elektrischen Spannungen und Messsignal bei dem Sensor bei defekter vierter elektrisch leitender Verbindung und

Figur 6 ein drittes Beispiel für einen zeitlichen Verlauf von elektrischen

Spannungen, elektrischen Strömen und Messsignal bei dem Sensor mit intakter vierter elektrischer Leitung.

Figur 7 ein viertes Beispiel für einen zeitlichen Verlauf von elektrischen

Spannungen (NOx-Pumpspannung), elektrischen Strömen und Messsignal bei dem Sensor mit defekter vierter elektrischer Leitung.

Ausführungsformen der Erfindung

Figur 1 zeigt einen prinzipiellen Aufbau eines erfindungsgemäßen Sensors 100, welcher zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens besonders geeignet ist.

Der Sensor 100, welcher zum Nachweis mindestens eines Anteils einer

Messgaskomponente mit gebundenem Sauerstoff, im Folgenden beispielhaft als Stickoxid NOx bezeichnet, in einem Gasgemisch, beispielhaft einem Abgas einer Verbrennungskraftmaschine, eingerichtet ist, umfasst hierzu ein Sensorelement 110 eine erste Pumpzelle 112, welche zwischen einer äußeren Pumpelektrode 114 und einer inneren Pumpelektrode 116 ausgebildet ist. 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 _PI in der ersten Pumpzelle 112 erzeugen lässt. Die erste elektrisch leitende

Verbindung 120 ist hierzu mit einem ersten Anschluss PI eines externen elektronischen Steuergeräts 122 verbunden. Um einen vollständigen Stromkreis zu erhalten, verfügt die innere Pumpelektrode 116 ebenfalls über eine zweite 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 _PI 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.

Das Sensorelement 110 weist weiterhin eine elektrische Referenzzelle 130 auf, welche eine Nernst- Elektrode 132 und eine Referenzelektrode 134 aufweist. Während die Nernst- Elektrode 132 über die zweite elektrisch leitende

Verbindung 124 zusammen mit der inneren Pumpelektrode 116 zu dem gemeinsamen Anschluss COM verfügt, weist die Referenzelektrode 134 eine gesonderte dritte 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 ersten Hohlraum 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 _PI derart eingestellt, dass sich ein festgelegtes Verhältnis zwischen dem ersten Anteil der Sauerstoffionen in dem ersten Hohlraum 126 und dem zweiten Anteil der Sauerstoffionen in dem

Referenzgasraum 138 ergibt.

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.

Die NO _x -Pumpelektrode 142 ist über eine elektrisch leitende Verbindung mit dem gemeinsamen Anschluss COM verbunden. Auch wenn dies nicht näher dargestellt ist, ist diese elektrisch leitende Verbindung mit der zweiten elektrisch leitenden Verbindung 124 verbunden bzw. Teil derselben. Die NO _x - Gegenelektrode 144 weist eine vierte elektrisch leitende Verbindung 146 auf, über welche ein zweiter Pumpstrom lp ₂ an die zweite Pumpzelle 140 angelegt werden kann. Die vierte elektrisch leitende Verbindung 146 ist hierzu mit einem zweiten Anschluss P2 des externen elektronischen Steuergeräts 122 verbunden. Bei Anlegen eines zweiten Pumpstroms lp ₂ an die zweite Pumpzelle 140 wird ein Anteil von weiteren Sauerstoffionen, welche aus dem weiteren molekularen Sauerstoff gebildet wurden, in den Referenzgasraum 138 transportiert.

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.

Figur 2 zeigt einen Teil des Sensors 100 mit einem Teil eines daran

angeschlossenen Steuergeräts 122. Das Steuergerät 122 weist einen Analog- Digital-Wandler 152 auf, der mit dem Anschluss Vs für die Nernstspannung verbunden ist. Das Steuergerät 122 weist weiterhin eine COM-Spannungsquelle 154 auf, die mit dem gemeinsamen Anschluss COM verbunden ist. Das

Steuergerät 122 weist weiterhin eine Anregungssignalquelle 156 auf, die mit dem Pluspol eines Operationsverstärkers 158 verbunden ist. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Operationsverstärker 158 ein Spannungsfolger. Die COM-Spannungsquelle 154 ist ebenfalls mit dem Pluspol des Operationsverstärkers 158 verbunden. Der Operationsverstärker 158 ist wiederum mit dem zweiten Anschluss P2 verbunden. In der vierten elektrischen Leitung 146 ist zwischen dem zweiten Anschluss P2 und der Gegenelektrode 144 ein Messwiderstand 160 angeordnet.

Figur 3 zeigt die zweite Pumpzelle 144 und einen Teil des Steuergeräts 122 als elektrisches Schaltbild. Figur 3 dient dabei zur Erklärung der technischen Zusammenhänge, auf denen die vorliegende Erfindung beruht. Vereinfacht ist die zweite Pumpzelle 140 als Parallel- und Reihenschaltung von Kondensatoren und Widerständen dargestellt. In Figur 3 ist die zweite elektrisch leitende Verbindung 124 zu erkennen, die von der zweiten Pumpzelle 140 bzw. der Pumpelektrode 142 zu dem gemeinsamen Anschluss COM führt. Weiterhin ist in Figur 3 die vierte elektrisch leitende Verbindung 146 zu erkennen, die von der zweiten Pumpzelle 140 bzw. der NO _x -Gegenelektrode 144 zu dem Messwiderstand 160 führt. Der Operationsverstärker 158 ist ebenfalls in Figur 3 dargestellt, der wiederum mit der COM-Spannungsquelle 154 verbunden ist. In der vierten elektrisch leitenden Verbindung 146 ist zwischen dem Messwiderstand 160 und der zweiten Pumpzelle 140 ein Kondensator 162 angeordnet, der wiederum mit der Masse GND des Steuergeräts 122 verbunden ist. Der gemeinsame

Anschluss COM hat gegenüber der Masse GND des Steuergeräts 122 einen Potentialunterschied von beispielsweise 2,25 V. An dem gemeinsamen

Anschluss COM liegt eine vorbestimmte elektrische Spannung UCOM an. Durch Verändern der vorbestimmten elektrischen Spannung UCOM, wie beispielsweise Absenken, wird eine Spannungsdifferenz Up ₂ zwischen dem zweiten

gesonderten Anschluss P2 und dem gemeinsamen Anschluss COM um die gleiche Differenz, referenziert zur Masse GND, verändert bzw. abgesenkt.

Dadurch entsteht im Kondensator 162 eine Ladungsträgerüberkapazität, die abfließen muss. Je nach dem ob die zweite Pumpzelle 140 verbunden ist oder nicht, d.h. die vierte elektrisch leitende Verbindung 146 intakt oder defekt ist, fließt der Strom entsprechend ab. Bei verbundener zweiter Pumpzelle 140 bzw. intakter vierter elektrisch leitender Verbindung 146 fließt der Strom in die zweite Pumpzelle 140 hinein, wie durch einen ersten Pfeil 164 angedeutet ist. Bei nicht verbundener zweiter Pumpzelle 140 bzw. defekter vierter elektrisch leitender Verbindung 146 fließt der Strom in die Messvorrichtung des Steuergeräts 122 hinein, wo der Strom als Spannungsabfall über den Messwiderstand 160 vom Steuergerät 122 gemessen werden kann, wie durch einen zweiten Pfeil 166 angedeutet ist.

Figur 4 zeigt ein erstes Beispiel für einen zeitlichen Verlauf von elektrischen Spannungen und Messsignal bei dem Sensor 100 bei intakter vierter elektrisch leitender Verbindung 146. Auf der X-Achse 168 ist die Zeit aufgetragen. Auf der Y-Achse 170 sind die an das Heizelement 148 angelegte elektrische

Heizspannung UHTR, die an dem gemeinsamen Anschluss COM anliegende vorbestimmte elektrische Spannung UCOM und der Spannungsabfall UIP2 über den Messwiderstand 160 aufgetragen. Die Kurve 172 stellt den zeitlichen der Verlauf der vorbestimmten elektrischen Spannung UCOM dar, die Kurve 174 stellt das Messsignal 174 in Form des zeitlichen Verlaufs des Spannungsabfalls UIP ₂ über den Messwiderstand 160 dar und die Kurve 176 stellt den zeitlichen Verlauf der elektrischen Heizspannung UHTR dar. Zur Durchführung einer Diagnose der vierten elektrischen Leitung 146, die den zweiten gesonderten Anschluss P2 mit der Pumpzelle 140 bzw. der Gegenelektrode 144 verbindet, wird mittels des Steuergeräts 122 eine Veränderung der vorbestimmten elektrischen Spannung UCOM zum Erzeugen eines Messsignals an dem Messwiderstand 160

durchgeführt. Die Spannungsanregung umfasst eine Veränderung der vorbestimmten elektrischen Spannung UCOM für eine vorbestimmte Zeit. Die vorbestimmte Zeit ist 0,08 ms bis 1 ms und bevorzugt 0,5 ms bis 1 ms. Diese Zeiten sind in Abhängigkeit von der verwendeten Hardwareschaltung und können sich je nach Änderung der Kapazitäten und Impedanzen im Sensorelement 110 und in der Messhardware unterscheiden, bzw. die hier angegebenen Zeiten über- oder unterschreiten. Bei dem gezeigten Beispiel ist die vorbestimmte Zeit 1 ms. Bei dem gezeigten Beispiel wird zum Zeitpunkt 178 die vorbestimmte elektrische Spannung UCOM für die vorbestimmte Zeit derart abgesenkt wird, dass eine Spannungsdifferenz Up ₂ zwischen dem zweiten gesonderten Anschluss P2 und dem gemeinsamen Anschluss COM von 450 mV bis 2500 mV und bevorzugt 450 mV bis 1500 mV gebildet wird. Beispielsweise wird eine Spannungsdifferenz Up ₂ von 465 mV gebildet. Der Zeitpunkt 178 der Absenkung der vorbestimmten elektrische Spannung UCOM kann zu einem Zeitpunkt liegen, bei dem an das Heizelement 148 eine elektrische Heizspannung UHTR angelegt wird bzw. die elektrische Heizspannung UHTR erhöht wird und das Heizelement 148 somit heizt. Die vierte elektrisch leitende Verbindung 146 wird als intakt identifiziert, falls das Messsignal 174 für die vorbestimmte Zeit keine Veränderung aufweist. Liegt keine Unterbrechung der vierten elektrisch leitenden Verbindung 146 vor, so kann durch die Umladeprozesse der Absenkung der vorbestimmten elektrischen Spannung UCOM in der Hardware des Steuergeräts 122 und der daraus resultierenden Stromfluss bei intakter vierter elektrisch leitender Verbindung 146 über das Sensorelement 110 abfließen. Die Spannungsänderung und der daraus resultierenden Stromfluss über die vierte elektrisch leitende Verbindung 146 kann nicht mehr über den Messwiderstand 160 gemessen werden. Bei dem gezeigten Beispiel, liegt ein geschlossener Stromkreis vor, so dass das Messsignal 174 ab dem Zeitpunkt 178 unverändert für die vorbestimmte Zeit ist.

Figur 5 zeigt ein zweites Beispiel für einen zeitlichen Verlauf von elektrischen Spannungen und Messsignal bei dem Sensor 100 bei defekter vierter elektrisch leitender Verbindung 146. Nachstehend werden lediglich die Unterschiede zu dem in Figur 4 gezeigten Beispiel erläutert und gleiche Bauteile bzw. Merkmale sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die vierte elektrisch leitende

Verbindung 146 wird als defekt identifiziert, falls das Messsignal 174 für die vorbestimmte Zeit eine Veränderung aufweist. Liegt eine Unterbrechung der vierten elektrisch leitenden Verbindung 146 vor, so wird durch die

Spannungsänderung an COM ein deutlicher Stromfluss auf der vierten elektrisch leitenden Verbindung 146 über dem Messwiderstand 160 verursacht. Bei dem gezeigten Beispiel, liegt ein offener Stromkreis vor, so dass das Messsignal 174 ab dem Zeitpunkt 178 einen deutlichen Abfall 180 für die vorbestimmte Zeit aufweist.

Figur 6 zeigt ein drittes Beispiel für einen zeitlichen Verlauf von elektrischen Spannungen und Messsignal bei dem Sensor 100 bei intakter vierter elektrisch leitender Verbindung 146. Auf der X-Achse 168 ist die Zeit aufgetragen. Auf der Y-Achse 170 sind von oben nach unten gesehen die an die zweite Pumpzelle 140 angelegte elektrische Spannung U _P2 , die an dem gemeinsamen Anschluss COM anliegende vorbestimmte elektrische Spannung U _COM und eine Differenz 182 zwischen der die an die zweite Pumpzelle 140 angelegten elektrischen Spannung U _p2 und der vorbestimmten elektrischen Spannung U _COM aufgetragen. Die Kurve 172 stellt den zeitlichen der Verlauf der vorbestimmten elektrischen Spannung U _COM dar, die Kurve 184 stellt den zeitlichen Verlauf der an die zweite Pumpzelle 140 angelegten elektrischen Spannung U _p2 dar und die Kurve 186 stellt das Messsignal 174 in Form des zeitlichen Verlaufs der Differenz 182 zwischen der die an die zweite Pumpzelle 140 angelegten elektrischen

Spannung UP2 und der vorbestimmten elektrischen Spannung UCOM dar. Zur Durchführung einer Diagnose der vierten elektrischen Leitung 146, die den zweiten gesonderten Anschluss P2 mit der Pumpzelle 140 bzw. der

Gegenelektrode 144 verbindet, wird mittels des Steuergeräts 122 Veränderung der vorbestimmten elektrischen Spannung UCOM für eine vorbestimmte Zeit zum Erzeugen eines Messsignals durchgeführt. Die vorbestimmte Zeit ist 0,08 ms bis 1 ms und bevorzugt 0,5 ms bis 1 ms. Diese Zeiten sind in Abhängigkeit von der Verwendeten Hardwareschaltung und können sich je nach Änderung der Kapazitäten und Impedanzen im Sensorelement 110 und in der Messhardware des Steuergeräts 122 unterscheiden, bzw. die hier angegebenen Zeiten Über oder unterschreiten. Bei dem gezeigten Beispiel ist die vorbestimmte Zeit 1 ms. Bei dem gezeigten Beispiel wird zum Zeitpunkt 178 die vorbestimmte elektrische Spannung UCOM für die vorbestimmte Zeit derart abgesenkt wird, dass eine Spannungsdifferenz Up ₂ zwischen dem zweiten gesonderten Anschluss P2 und dem gemeinsamen Anschluss COM von 450 mV bis 2500 mV und bevorzugt 460 mV bis 1500 mV gebildet wird. Beispielsweise wird eine Spannungsdifferenz Up ₂ von 750 mV gebildet.

Um die zweite Pumpzelle 140 treiben zu können, muss zwischen der

Pumpelektrode 142 und der Gegenelektrode 144 eine ausreichend große, auf einen festen Wert geregelte Spannung Up ₂ anliegen. Diese Spannung Up ₂ an der zweiten Pumpzelle 140 kann zum Beispiel 450 mV gegen COM sein. Die vierte elektrisch leitende Verbindung 146 wird als intakt identifiziert, falls das

Messsignal 174 für die vorbestimmte Zeit keine Veränderung aufweist, d.h. die Differenz 182 bei 450 mV liegt. Liegt keine Unterbrechung der vierten elektrisch leitenden Verbindung 146 vor, so kann über das Sensorelement 110, die durch die Hardwareschaltung des Steuergeräts 122 verursachten Umladeprozesse der Absenkung der vorbestimmten elektrischen Spannung UCOM der Strom durch das Sensorelement 110 abfließen und die Spannungsänderung kann der durch die Operationsverstärker 158 gestellten Spannung innerhalb kürzester Zeit von beispielsweise 10 bis 15 pS je nach Alterung der zweiten Pumpzelle 140 bzw. Fertigungstoleranzen auf die angestrebten 450 mV folgen. Bei dem gezeigten Beispiel, liegt ein geschlossener Stromkreis und somit eine intakte vierte elektrisch leitende Verbindung 146 vor, so dass das Messsignal 174 ab dem Zeitpunkt 178 mit einer unwesentlichen Verzögerung von 15 bis 20 pS nach Absenkung der vorbestimmten elektrischen Spannung UCOM unverändert für die vorbestimmte Zeit ist.

Figur 7 zeigt ein viertes Beispiel für einen zeitlichen Verlauf von elektrischen Spannungen und Messsignal bei dem Sensor 100 bei defekter vierter elektrisch leitender Verbindung 146. Nachstehend werden lediglich die Unterschiede zu dem in Figur 6 gezeigten Beispiel erläutert und gleiche Bauteile bzw. Merkmale sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die vierte elektrisch leitende Verbindung 146 wird als defekt identifiziert, falls das Messsignal 168 für die vorbestimmte Zeit eine Veränderung aufweist. Liegt eine Unterbrechung der vierten elektrisch leitenden Verbindung 146 vor, so wird durch die

Spannungsänderung an COM ein deutlicher Stromfluss auf der vierten elektrisch leitenden Verbindung 146 über dem Messwiderstand 160 verursacht. Bei dem gezeigten Beispiel, liegt ein offener Stromkreis vor, so dass das Messsignal 174 ab dem Zeitpunkt 178 ein deutlich höheres Potential von beispielsweise 750 mV anstatt 450 mV im Normalfall für die vorbestimmte Zeit aufweist. Es wird explizit betont, dass für die Beurteilung des Zustands der vierten elektrisch leitenden Verbindung eine Beobachtung des zeitlichen Verlaufs der an die zweite

Pumpzelle 140 angelegten elektrischen Spannung Up ₂ alleine ausreicht, ohne dass die Differenz 182 betrachtet werden muss.