DE102007029154A1

DE102007029154A1 - Mischpotenzialsensor mit beschleunigtem Ansprechverhalten zur Detektion verschiedener Gase in Gasgemischen, sowie Verfahren zum Betrieb desselben

Info

Publication number: DE102007029154A1
Application number: DE102007029154A
Authority: DE
Inventors: Dirk Liemersdorf; Berndt Cramer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2006-07-25
Filing date: 2007-06-25
Publication date: 2008-01-31

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion verschiedener Gase in Gasgemischen mit einem Mischpotenzialsensor, aufweisend eine im Abgasraum angeordnete Abgaselektrode mit Mischpotenzialverhalten, eine in einem Luftreferenzraum oder ebenfalls im Abgasraum angeordnete zweite Elektrode, die durch einen Festkörperelektrolyten von der Abgaselektrode separiert ist, und eine Messeinrichtung zur Messung der sich zwischen Abgaselektrode und zweiter Elektrode einstellenden Spannung bzw. Stromes. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die Detektion in einem Messzyklus abläuft, der mindestens in eine Initialisierungsphase und mindestens eine nachfolgende Messphase unterteilt ist, wobei dem Elektrodensystem während der Initialisierungsphase eine Spannungs- oder Stromsequenz aufgeprägt wird, das Elektrodensystem während der Messphase durch Schalten eines Belastungswiderstands zwischen Abgaselektrode und zweiter Elektrode belastet wird, und während der Messphase eine Elektrodenspannung bzw. eine Spannungsdifferenz und/oder ein Strom gemessen wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Mischpotenzialsensor mit beschleunigtem Ansprechverhalten und/oder zur Detektion verschiedener Gase in Gasgemischen ohne Abwandlung des Sensoraufbaus, sowie ein Verfahren zum Betrieb desselben und deren Verwendung.
Stand der Technik
Mischpotenzialsensoren sind ähnlich einer Lambda-Sprungsonde aufgebaut, wie sie zur Abgasanalyse von Verbrennungsmotoren zum Einsatz kommt. Eine Lambda-Sprungsonde besteht aus einer elektrochemischen Zelle mit einer Platin-Elektrode, die sich im Abgas befindet. Die zweite Platin-Elektrode wird durch einen Festkörperelektrolyten (i.d.R. Yttrium-stabilisiertes Zirkoniumoxid), der eine Leitfähigkeit für Sauerstoffionen aufweist, vom Abgasraum separiert, und befindet sich im Ausgleich mit der Umgebungsluft, z. B. über einen Luftreferenzkanal.
Bei einer katalytisch aktiven Platin-Elektrode im Abgas stellt sich in der Nähe der Elektrodenoberfläche ein elektrochemisches Gleichgewicht ein. Bei einer Lambda-Sprungsonde ergibt sich die Differenz der Elektrodenpotenziale entsprechend der Nernstschen Gleichung:
Durch Modifikation der äußeren Sensorelektrode (SE), z. B. durch Aufbringen eines zusätzlichen Elektrodenmaterials oder Austausch des Elektrodenmaterials verhält sich diese Elektrode nicht mehr entsprechend einer Gleichgewichtselektrode, sondern folgt den Eigenschaften einer Mischpotenzialelektrode, deren Elektrodenpotenzial durch die Kinetik der Elektrodenreaktion bestimmt ist. Das Sensorsignal U_M ergibt sich dabei aus der Differenz der beiden Elektrodenpotenziale:
Die Referenzelektrode (RE) liegt an dem Bezugspotenzial der Messschaltung an. Das Referenzpotenzial ist folglich unabhängig von der Gasatmosphäre festgelegt.
Bei Mischpotenzialsensoren ist das Sensorsignal durch die elektrochemische Reaktion des zu detektierenden Gases an der Elektrodenoberfläche sowie durch Kinetik dieser Reaktion bestimmt.
In der Praxis stellt sich bei einer gegebenen Temperatur in Abhängigkeit des Partialdrucks eines bestimmten, zu messenden Gases eine Spannung zwischen Abgaselektrode und Referenzelektrode ein, die als Messwert verwendet werden kann.
Im Gegensatz zu einer Lambda-Sprungsonde, bei der die sich bei gegebener Sauerstoffkonzentration im Abgasraum einstellende Spannung der Nernst-Gleichung folgt, setzt sich die Sensorkennlinie, insbesondere Sensorspannung, bei einem Mischpotenzialsensor wie bereits erwähnt aus den Strom-Spannungs-Kennlinien (U₁/I₁ bzw. U₂/I₂) der Einzelsysteme zusammen. Das unbelastete Mischpotenzial φ_M ergibt sich dabei durch den Schnittpunkt der Superposition beider Strom-Spannungs-Kennlinien mit der Werteachse für I, d.h. der Gesamtstrom I_ges(φ_M)ist Null.
Im Fall komplexerer Reaktionen wird das Potenzial der Sensorelektrode durch zusätzliche Einflussfaktoren verschoben, insbesondere durch die katalytischen Eigenschaften der Elektrode und durch Adsorption und Folgereaktionen mit Nebenprodukten der Hauptreaktion (z. B. NO, N₂O, NO₂), etc.
Die Kennlinien zwischen vorliegendem Partialdruck und generierter Sensorspannung weisen häufig komplexe Verläufe auf, die eine Eichung des Sensors auf empirischem Wege erforderlich machen. Mit anderen Worten, die Kennlinien von Sensorspannung über dem vorliegenden Partialdruck weisen häufig komplexe Verläufe auf, die eine Kalibrierung des Sensors auf empirischem Wege erforderlich machen. Des Weiteren sind die einzelnen Reaktionsschritte (Diffusion, Adsorption, Durchtrittsreaktion) ebenfalls temperaturabhängig. Hinzu kommt daher eine Temperaturabhängigkeit der Reaktion bei gegebenem Partialdruck des zu analysierenden Gases.
Häufig ist dabei ein signifikantes lokales Betragsmaximum des Mischpotenzials bei einer bestimmten Temperatur zu beobachten. Dieses lokale Betragsmaximum liegt bei Mischpotenzialsensoren häufig im Temperaturbereich zwischen 350 °C und 450 °C.
Bei niedrigeren Temperaturen sinkt der Betrag des Mischpotenzials aufgrund der gehemmten elektrochemischen Reaktionen und der stark reduzierten ionischen Leitfähigkeit des Festelektrolyten bis auf den Nullwert ab, während er sich bei höheren Temperaturen der durch das elektrochemische Gleichgewicht und die Nernstgleichung berechenbaren Nernstspannungskurve annähert, mithin dabei im Betrag ebenfalls abnimmt.
Bei solchen Mischpotenzialsensoren wird das Sensorsignal durch die elektrochemische Reaktion des zu detektierenden Gases an der Elektrodenoberfläche und deren Reaktionskinetik bestimmt. Diese Sensoren zeigen daher in der Regel ein sehr langsames Ansprechverhalten bei sprunghafter Veränderung der Ammoniak-Konzentration im Messgas. Somit sind sie nur bedingt für die Messung der Regelgröße in zeitkritischen Regelsystemen einsetzbar.
Offenbarung der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Mischpotenzialsensor zur Detektion verschiedener Gase in Gasgemischen sowie ein Verfahren zum Betrieb desselben bereitzustellen, der bzw. das im Vergleich zur Vorrichtungen und/oder Verfahren aus dem Stand der Technik ein beschleunigtes Ansprechverhalten aufweist und/oder es ermöglicht ohne eine Abwandlung des Sensoraufbaus verschiedene Gasspezies zu detektieren.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der vorliegenden unabhängigen Ansprüche gelöst. Die Unteransprüche geben bevorzugte Ausführungsformen an.
Demnach ist ein Verfahren zur Detektion verschiedener Gase in Gasgemischen mit einem Mischpotenzialsensor vorgesehen, aufweisend eine im Abgasraum angeordnete Abgaselektrode mit Mischpotenzialverhalten, eine in einem Luftreferenzraum oder ebenfalls im Abgasraum angeordnete zweite Elektrode, die durch einen Festkörperelektrolyten von der Abgaselektrode separiert ist sowie eine Messeinrichtung zur Messung der sich zwischen Abgaselektrode und zweiter Elektrode einstellenden Spannung bzw. des Stroms. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die Detektion in einem Messzyklus abläuft, der mindestens in eine Initialisierungsphase und eine nachfolgende Messphase unterteilt ist, wobei dem Elektrodensystem während der Initialisierungsphase eine Spannungs- oder Stromsequenz aufgeprägt wird, das Elektrodensystem während der Messphase durch Schalten eines Belastungswiderstands zwischen Abgaselektrode und zweite Elektrode belastet wird, und während der Messphase eine Elektrodenspannung, ein Elektrodenstrom bzw. eine Spannungsdifferenz gemessen wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass ein mit dem erfindungsgemäßen Verfahren betriebener Sensor unterschiedliche Gasspezies detektieren kann. Um zwischen den zu detektierenden Gasspezies zu wechseln, muss der Sensoraufbau nicht verändert, sondern nur die erfindungsgemäßen Verfahrensparameter auf die jeweilige zu detektierende Gasspezies eingestellt werden. Dies ermöglicht, dass baugleiche Sensoren in Abhängigkeit von dem erfindungsgemäßen Verfahren/Verfahrensparametern sowohl als Multigassensor als auch Einzelgassensor für unterschiedliche Gasspezies eingesetzt werden können.
Im Rahmen einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass die Detektion verschiedener Gase in mehreren Messzyklen abläuft, die jeweils mindestens in eine Initialisierungsphase und mindestens eine nachfolgende Messphase unterteilt sind, wobei dem Elektrodensystem in den Initialisierungsphasen jeweils eine Spannungs- oder Stromsequenz aufgeprägt wird, die für ein in dem jeweiligen Messzyklus zu detektierendes Gas geeignet ist, das Elektrodensystem während der Messphase durch Schalten eines Belastungswiderstands (0 Ω – ∞ Ω) zwischen Abgaselektrode und zweite Elektrode belastet wird, und während der Messphase eine Elektrodenspannung, ein Elektrodenstrom bzw. eine Spannungsdifferenz gemessen wird, der/die charakteristisch für das Gas ist, auf welches die Spannungssequenz der vorherigen Initialisierungsphase abgestimmt ist. Beispielsweise handelt es sich bei der/den aufgeprägten Spannungssequenz/en um Sinusspannung/en, die auf eine Gleichspannungskomponente (Offset) aufaddiert wird. Die Spannungs- oder Stromsequenzen, die für unterschiedliche zu detektierende Gase charakteristisch sind, unterscheiden sich beispielsweise im Vorzeichen und/oder Betrag ihrer Gleichspannungskomponente (Offset) und/oder Zykluslänge und/oder Länge der Einzelphase und/oder zeitlichem Verhältnis von Initialisierungs- zu Messphase.
Die Messeinrichtung umfasst bevorzugt einen eingangsseitig hochohmigen Spannungsverstärker, wie z. B. einen Feldeffekttransistor. Auf diese Weise wird eine verlustfreie Messung der Sensorspannung auch über eine längere Zuleitung ermöglicht. In einem Kraftfahrzeug kann so die Messeinrichtung entfernt von dem eigentlichen Abgassensor angeordnet werden. Grundsätzlich ist die sich zwischen den beiden Elektroden einstellende Spannung jedoch so stabil und belastbar, dass auch eine unverstärkte Messung durchführbar ist.
Bei der zweiten Elektrode handelt es sich in diesem Fall um eine Referenzelektrode, die bevorzugt aus Platin (Pt) besteht. Ebenso bevorzugt sind jedoch auch Elektroden aus den Elementen Pd, Ir oder Ta.
Als Luftreferenzraum kann z. B. ein mit der Außenwelt in Verbindung stehender Kanal verwendet werden. Diese Art der Referenz ist einfach zu realisieren und weist eine hohe Stabilität auf, da der Sauerstoffgehalt der Außenluft höchst konstant ist. Alternativ kann auch eine gepumpte Referenz verwendet werden, bei welcher der Referenzelektrode ein elektrolytisch erzeugter Sauerstoffionenstrom aufgeprägt wird.
Alternativ ist die zweite Elektrode ebenfalls eine im Abgasraum angeordnete Abgaselektrode mit Mischpotenzial- oder Nernstverhalten, wobei die beiden Abgaselektroden unterschiedliche Elektrodenmaterialien aufweisen und auf diese Weise eine Elektrode als Sensorelektrode und die Andere als Referenzelektrode oder jeweils für unterschiedliche Sensitivitäten bezüglich der Gasspezies eingerichtet sind („gassymmetrische Anordnung").
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass es sich bei der auf das Elektrodensystem aufgeprägten Spannungs- oder Stromsequenz um eine Gleichspannung/strom, oder eine Sinus-, Rechteck- oder Dreieckspannung/strom handelt. Bevorzugt verwendet wird dabei eine Sinusspannung verwendet. Diese wird besonders bevorzugt auf eine Gleichspannungs-/Strom-Komponente (Offset) aufaddiert. So kann das Spannungs-/Stromsignal z. B. folgender Gleichung gehorchen: U(bzw. I)Phase 1(t) = A sin(2πft) + B
Der Offset bzw. die Gleichspannungs-/Strom-Komponente (B) kann dabei beispielweise –200 mV betragen, die Frequenz (f) 1 kHz und die Amplitude (A) 50 mV. Die Dauer der Initialisierungsphase beträgt beispielsweise 5 ms.
Beim Magerbetrieb (Sauerstoffüberschuss im Abgas, λ > 1) und in Anwesenheit von Wasser oder Kohlenstoffdioxid oder einer anderen sauerstoffhaltigen Spezies findet, insbesondere bei einem gepulsten Betrieb, auch bei einem Offset bzw. einer Gleichspannungskomponente (B, Biasspannung), welche höher als die Zersetzungsspannung von Zirkoniumdioxid ist, keine Reduktion von Zirkoniumdioxid statt, da in diesem Fall zuerst die freien Sauerstoffmoleküle bzw. die anwesenden sauerstoffhaltigen Moleküle umgesetzt werden. Daher liegt der Offset bzw. die Gleichspannungskomponente (B) vorzugsweise in einem Bereich von ≥ –5000 mV bis ≤ 5000 mV, beispielsweise von ≥ –2500 mV bis ≤ 2500 mV, insbesondere von ≥ –2000 mV bis ≤ 2000 mV. Die Gleichstromkomponente liegt vorzugsweise in einem Bereich von ≥ 25 mA bis ≤ 25 mA, beispielsweise von ≥ –10 mA bis ≤ 10 mA.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann die Frequenz (f) in einem Bereich von ≥ 0,01 kHz bis ≤ 1 MHz, beispielsweise von ≥ 0,10 kHz bis ≤ 100 kHz, insbesondere von ≥ 0,20 kHz bis ≤ 20 kHz liegen.
Die Amplitude (A) kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung < 2000 mV, beispielsweise < 200 mV, insbesondere ≤ 100 mV, betragen.
Die Dauer der Initialisierungsphase (τ_{Phase 1}) kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung in einem Bereich von ≥ 1 μs bis ≤ 10000 ms, beispielsweise von ≥ 10 μs bis ≤ 100 ms, insbesondere von ≥ 100 μs bis ≤ 10 ms liegen.
Die Dauer der Messphase (τ_{Phase 2}) kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung in einem Bereich von ≥ 1 μs bis ≤ 10000 ms, beispielsweise von ≥ 10 μs bis ≤ 100 ms, insbesondere von ≥ 100 μs bis ≤ 10 ms liegen.
Die Dauer eines eine Initialisierungsphase (τ_{Phase 1}) und eine Messphase (τ_{Phase 2}) umfassenden Zyklus kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung in einem Bereich von ≥ 1 μs bis ≤ 20000 ms, beispielsweise von ≥ 10 μs bis ≤ 200 ms, insbesondere von ≥ 100 μs bis ≤ 20 ms, liegen.
Das Verhältnis der Dauer der Initialisierungsphase zur Dauer der Messphase kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung in einem Bereich von > 0 bis < ∞, beispielsweise von ≥ 0,01 bis ≤ 99, insbesondere von ≥ 0,1 bis ≤ 9, liegen.
Bei dem während der Messphase zugeschalteten Belastungswiderstand R_L kann es sich z. B. um einen Widerstand R_L mit dem Wert 100 kΩ handeln. Grundsätzlich sind Widerstandswerte zwischen 100 MΩ und 0 Ω (Kurzschluss), beispielsweise von ≥ 1 Ω bis ≤ 10 MΩ, beispielsweise von ≥ 10 Ω bis ≤ 1 MΩ, insbesondere von ≥ 1 kΩ bis ≤ 500 kΩ, denkbar.
Die Initialisierungssequenz beeinflusst sowohl die lokale Sauerstoffkonzentration an der Elektrodenoberfläche bzw. an den Grenzflächen, als auch die elektrochemischen Potenziale der beteiligten Elektroden. Da sich dieser Zustand, aufgrund der erfindungsgemäß gegebenen Zeitkonstanten, über die Initialisierungsphase bis in die nachfolgende Messphase hinein auswirkt, ergibt sich eine signifikante Abhängigkeit der elektrochemischen Reaktion in der nachfolgenden Messphase. Auf diese Weise kann die Reaktion eines bestimmten Gases in der Messphase sowohl deutlich unterstützt als auch gehemmt werden. Je nach Forcierung oder Hemmung der Reaktion eines bestimmten Gases kann das resultierende Sensorsignal daher derart beeinflusst werden, dass es abhängig oder unabhängig oder unterschiedlich stark abhängig von einer bestimmten Gasspezies ist, wodurch die Detektion von mehreren unterschiedlichen Gasspezies, beispielsweise Ammoniak (NH₃), Stickstoffmonoxid (NO), Stickstoffdioxid (NO₂), Kohlenstoffmonoxid (CO), in einem Gasgemisch mit ein und demselben Sensor und Elektrodenmaterial ermöglicht wird.
Da der Offset bzw. die Gleichspannungskomponente (B), die Frequenz (f), die Amplitude (A), die Dauer der Initialisierungsphase (τ_Phase
1) und die Dauer der Messphase (τ_{Phase 2}) von dem verwendeten Sensor und Elektrodenmaterial sowie von den zu bestimmenden Gasspezies abhängig sind, müssen diese Parameter individuell auf den Sensor, das Elektrodenmaterial und die zu bestimmenden Gasspezies eingestellt werden. Dies kann durch ein systematisches Screening erfolgen, bei dem unter Verwendung eines gleich bleibenden Sensors (Elektrodenmaterials) die Parameter von der einen Initialisierungs- und Messphase zur nächsten sukzessiv variiert werden, wobei der Sensor in den einzelnen Initialisierungs- und Messphasen unterschiedlichen vorbestimmten Gasspezies in vorbestimmten Konzentrationen ausgesetzt wird und die Messergebnisse der jeweiligen Messphasen einzeln ausgewertet werden. Die Parameter werden solange variiert bis für jede zu detektierende Gasspezies (Konzentration) eine optimierte Parametereinstellung ermittelt ist, welche charakteristisch für die jeweilige zu detektierende Gasspezies ist. Im Zusammenhang mit der Beschreibung der 3 bis 8, werden die für einen im Rahmen der vorliegenden Erfindung exemplarisch verwendeten Sensor eingestellten Parameter und erhaltenen Messergebnisse näher erläutert.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist eine sequenzielle Durchführung von mehreren Gesamtmessphasen mit unterschiedlichen Initialisierungsphasen (unterschiedliche Spannungs/Stromsequenzen) oder unterschiedlichen Messphasen (unterschiedliche Belastungswiderstände) vorgesehen. Somit kann aus der Gesamtheit der Messwerte eine Kompensation von Querempfindlichkeiten und/oder die quantitative und/oder qualitative Messung mehrerer Gaskomponenten bzw. Gasspezies erfolgen.
Beim Übergang von der Initialisierungsphase zur Messphase wird folglich sprunghaft von einem aktiv auf die Elektroden eingeprägten Potenzial auf eine passive, definierte Belastung des Elektrodenpotenzials durch den Widerstand R_L umgestellt. Aus dem resultierenden, transienten Verlauf des Sensorsignals (d.h. der Sensorspannung) während der Messphase kann nunmehr auf die Konzentration und die Art der jeweils zu detektierenden Gasspezies geschlossen werden. Hierauf wird weiter unten noch eingegangen.
Durch den Initialisierungsschritt stellt sich auf der Elektrodenoberfläche ein definierter Zustand ein, welcher den Ausgangspunkt für die direkt anschließende Messphase darstellt. Der Verlauf der Initialisierungssequenz wird auf das jeweilig verwendete, auf die zu detektierende Gasspezies abgestimmte, Elektrodenmaterial angepasst.
Je nach eingeprägtem Ausgangszustand ist eine unterschiedlich aktive Oberfläche der Elektrode und somit ein anderes Verhalten von Adsorptions- und katalytischen Prozessen sowohl in der Initialisierungsphase als auch in der Messphase zu erwarten. Folglich kann die Sensitivität und die Selektivität des Sensors auf spezifische Gaskomponenten – neben der Auswahl des Elektrodenmaterials – auch durch den eingeprägten Ausgangszustand eingestellt werden (z. B. Unterscheidung von oxidierbaren und reduzierbaren Gaskomponenten, insbesondere Unterscheidung von einzelnen Gasspezies untereinander). Darüber hinaus ist es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich die Sensitivität und Selektivität eines Sensorelementes durch gezieltes Einstellen der Initialisierungssequenz (eingeprägten Ausgangszustandes) auf unterschiedliche Gasspezies einzustellen ohne dabei das Elektrodenmaterial zu variieren. Dadurch können Multielektrodensysteme mit unterschiedlichen Elektrodenmaterialien für jede zu detektierende Gasspezies, die herkömmlicherweise zur Detektion verschiedener Gasspezies verwendet werden, auf ein Elektrodensystem vereinfacht werden. Weiterhin kann durch das 2-phasige dynamische Messprinzip also das Ansprechverhalten des Sensors signifikant beschleunigt werden, und es eröffnet sich somit eine Anwendung in zeitkritischen Regelungssystemen.
Ein weiterer Vorteil des beschriebenen Sensorprinzips liegt in der Trennung in Initialisierungs- und Messphase. Bedingt durch eine festgelegte Initialisierungssequenz wird die Elektrodenoberfläche zu Beginn der Messphase bei jedem Zyklus in einen definierten Zustand gezwungen. Dadurch kann die Stabilität des Sensorsignals verbessert werden und die bei Standard-Mischpotenzialssensoren erwarteten „Memory"-Effekte (Abhängigkeit des NH₃-Signals von den vorherigen Zuständen des Sensors) eliminiert werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die Sensorsignale ausgewertet werden, indem das Integral des transienten Verlaufs der Sensorspannung während der Messphase ermittelt wird.
Hierzu werden die beispielsweise 10 ms langen Einzelzyklen separiert und die Initialisierungsphase (5 ms) ausgeblendet. Ggf. wird anschließend von dem transienten Verlauf der Sensorspannung ein zuvor aufgenommenes Messsignal bei 0 ppm NH₃ subtrahiert (Differenzbildung). Dann wird die Fläche unter dem Kurvenverlauf des ggf. korrigierten Sensorsignals durch Integration berechnet (siehe 3). Das für die jeweilige Gaskonzentration repräsentative Sensorsignal ergibt sich somit aus der folgenden Gleichung:
wobei Phase 1 die Initialisierungsphase und Phase 2 die Messphase ist, UM Phase 2 der transiente Verlauf der Sensorspannung während der Messphase ist und U_min die zuvor als Nullwert aufgenommene Sensorspannung bei 0 ppm NH₃ ist.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die Sensorsignale ausgewertet werden, indem zu einem definierten Zeitpunkt während der Messphase die Sensorspannung gemessen wird.
Obwohl beide Verfahren zufriedenstellend funktionieren, wird in der vorliegenden Anmeldung im Weiteren exemplarisch vor allem die integrative Methode beschrieben.
Vorzugsweise werden durch die erfindungsgemäßen Verfahren Sauerstoff, Wasserstoff, Kohlenwasserstoffe, Ammoniak, Stickstoffmonoxid, Stickstoffdioxid, Distickstoffoxid und/oder Kohlenstoffmonoxid, und/oder deren Konzentration bestimmt.
Weiterhin ist erfindungsgemäß ein Mischpotenzialsensor zur Durchführung eines solchen Verfahrens vorgesehen, aufweisend eine im Abgasraum angeordnete Abgaselektrode mit Mischpotenzialverhalten, eine in einem Luftreferenzraum oder ebenfalls im Abgasraum angeordnete zweite Elektrode, die durch einen Festkörperelektrolyten von der Abgaselektrode separiert ist, eine Messeinrichtung zur Messung der sich zwischen Abgaselektrode und zweiter Elektrode einstellenden Spannung, eine Messeinrichtung zur Messung der sich zwischen Abgaselektrode und Referenzelektrode einstellenden Spannung bzw. des Stromes sowie eine Auswerteinrichtung zur Berechnung der Konzentration einer Gaskomponente. Der Sensor ist dadurch gekennzeichnet, dass er weiterhin eine Steuereinrichtung zur zeitkoordinierten Aufprägung einer Spannungs- oder Stromsequenz auf das Elektrodensystem in einer Initialisierungsphase, zur zeitkoordinierten Änderung des Widerstandswerts des Belastungswiderstandes nach Abschluss der Initialisierungsphase und zur zeitkoordinierten Messwertaufnahme in einer Messphase aufweist.
Erneut gilt, dass der verwendete Mischpotenzialsensor i.W. wie eine Lambda-Sprungsonde aufgebaut sein kann oder eine gassymmetrische Anordnung zweier Mischpotenzialelektroden aufweist. Bezüglich weiterer Einzelheiten zu dem Messprinzip wird auf die obigen Ausführungen verwiesen.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist überdies vorgesehen, dass es sich bei dem Festkörperelektrolyten um Yttrium-stabilisiertes Zirkoniumoxid handelt. Yttriumstabilisiertes Zirkoniumoxid, eignet sich für den genannten Zweck besonders, da es im heißen Zustand die erforderliche Leitfähigkeit für Sauerstoffionen aufweist. Der Sensor weist daher außerdem besonders bevorzugt ein Heizelement auf, das dazu dient, die Betriebstemperatur des Sensors einzustellen.
Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass an dem Belastungswiderstand Widerstandswerte zwischen 100 MΩ und 0 Ω (Kurzschluss) einstellbar sind. Besonders bevorzugt liegen die einstellbaren Widerstandswerte im Bereich zwischen 10 MΩ und 1 kΩ.
Bevorzugt handelt es sich bei mindestens einer der Elektroden, insbesondere der Referenzelektrode, um eine Platinelektrode (Pt). Ebenso bevorzugt sind jedoch auch Elektroden aus den Elementen Pd, Ir oder Ta.
Als Luftreferenzraum kann z. B. ein mit der Außenwelt in Verbindung stehender Kanal verwendet werden. Diese Art der Referenz ist einfach zu realisieren und weist eine hohe Stabilität auf, da der Sauerstoffgehalt der Außenluft höchst konstant ist. Alternativ kann auch eine gepumpte Referenz verwendet werden, bei welcher der Referenzelektrode ein elektrolytisch erzeugter Sauerstoffionenstrom aufgeprägt wird.
Bei mindestens einer der Mischpotenzialelektroden handelt es sich bevorzugt um eine für die Messung von Ammoniak geeignete Elektrode. Die Spezifität der Mischpotenzialelektrode wird dabei unter anderem durch die Wahl des Elektrodenmaterials bestimmt. Ebenso kann vorgesehen sein, dass die Elektrode für die Messung von Kohlenwasserstoffen, Stickstoffoxiden, Kohlenstoffmonoxid und -dioxid und/oder Wasserstoff geeignet ist.
Zeichnungen und Beispiele
Die vorliegende Erfindung wird durch die im Folgenden gezeigten und diskutierten Figuren und Beispiele genauer erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Figuren nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken.
1a) zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen Mischpotenzialsensor 10 im Querschnitt. Dargestellt ist weiterhin eine im Abgasraum angeordnete Abgaselektrode 11 mit Mischpotenzialverhalten, sowie eine in einem Luftreferenzraum 12 angeordnete Referenzelektrode 13, die durch einen Festkörperelektrolyten 14 aus Yttrium-stabilisiertem Zirkoniumoxid von dem Abgasraum separiert ist. Nicht dargestellt ist eine Messeinrichtung zur Messung der sich zwischen Abgaselektrode und Referenzelektrode einstellenden Spannung/Strom. Weiterhin ist eine Heizeinrichtung 15 dargestellt, die für die Einstellung der Sensorbetriebstemperatur erforderlich ist. Nicht dargestellt ist in 1a) der in der Messphase zwischen die beiden Elektroden geschaltete Belastungswiderstand sowie eine Mess- und eine Steuereinrichtung.
1b) zeigt einen weiteren erfindungsgemäßen Mischpotenzialsensor 16 mit gassymmetrischer Anordnung der Elektroden 17, 18 im Querschnitt. Die beiden Elektroden unterscheiden sich von einander in ihrer Zusammensetzung und damit ihrer Gasspezifität. Der Sensor weist ferner einen Festkörperelektrolyten 19, durch welchen die beiden Abgaselektroden voneinander getrennt sind, eine nicht dargstellte Messeinrichtung zur Messung der/des sich zwischen den beiden Elektroden einstellenden Spannung/Stroms sowie eine Heizeinrichtung 20 auf. Bei dem gezeigten Sensor handelt es sich um einen sogenannten „gassymmetrischen Zweielektrodensensor". Nicht dargestellt ist in 1b) der in der Messphase zwischen die beiden Elektroden geschaltete Belastungswiderstand sowie eine Mess- und eine Steuereinrichtung.
2 zeigt einen erfindungsgemäßen Mischpotenzialsensor 20 in teilschematisierter Ansicht mit einem in den Abgasraum hineinragenden Abschnitt 21, aufweisend die nicht dargestellte Mischpotenzialelektrode sowie die ebenfalls nicht dargestellte, in einem Luftreferenzraum angeordnete Referenzelektrode. Die/der sich zwischen beiden Elektroden einstellende Spannung/Strom wird mit einer Spannungs/strommesseinrichtung 22 gemessen. Hierbei handelt es sich z. B. um einen hochohmigen Spannungsverstärker, wie z. B. einen Feldeffekttransistor.
Zwischen die Abgaselektrode und die Referenzelektrode kann ein Belastungswiderstand 23 geschaltet werden. Der Widerstandswert kann fest oder stufenlos änderbar sein oder durch Hin- und Herschalten zwischen fixen Widerstandswerten geändert werden. Bei dem Belastungswiderstand 23 kann es sich also auch um eine parallel angeordnete Reihe von Einzelwiderständen handeln.
Außerdem zeigt 2 eine Steuereinrichtung 24 zur zeitkoordinierten Aufprägung einer Spannungs- oder Stromsequenz auf das Elektrodensystem in der Initialisierungsphase, zeitkoordinierten Änderung des Widerstandswerts des Belastungswiderstandes nach Abschluss der Initialisierungsphase und zeitkoordinierten Messwertaufnahme.
3 zeigt beispielhaft den Ablauf eines Messzyklus entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren als Ausschnitt aus einer Folge von Messzyklen. Dargestellt ist der zeitliche Verlauf der Sensorspannung zwischen dem gassymmetrischen Elektrodenpaar.
Die Initialisierungsphase (Phase 1) ist hellgrau unterlegt, während die Messphase (Phase 2) dunkelgrau unterlegt ist. Der Sensor ist einem Gasgemisch enthaltend 50 ppm NH₃ und 2% O₂ in Stickstoff ausgesetzt.
Während der Initialisierungsphase wird dem Sensor eine Sinusspannung mit einer Amplitude von 50 mV, einer Frequenz 1 kHz und einem Offset von –200 mV aufgeprägt. Nach 5 ms erfolgt dann der Übergang in die Messphase. Hierfür wird die Aufprägung des Sinussignals beendet und ein Belastungswiderstand zwischen die beiden Elektroden geschaltet. Dann wird 5 ms lang der Spannungsverlauf gemessen. Die Auswertung erfolgt wie oben beschrieben, d.h. entweder durch Integration des transienten Spannungsverlaufs (nach ggf. Abzug eines Nullsignals der Elektrode) oder durch Messung der Sensorspannung oder des Sensorstromes zu einem definierten Zeitpunkt während der Messphase.
4 zeigt beispielhaft den Ablauf verschiedener Messzyklen bei unterschiedlichen Ammoniak-Konzentrationen im Messgas (0, 50 und 100 ppm). Innerhalb der Messphase ist ein transienter, rauschfreier Verlauf des Sensorsignals zu erkennen. Die Sensorspannung zeigt in den Messphasen eine klare Abhängigkeit von der Ammoniakkonzentration. Die Sauerstoffquerempfindlichkeit kann durch eine Kompensationsrechnung oder bei einer Mehrelektrodenanordnung auch durch die Wahl eines geeigneten zweiten Elektrodenmaterials korrigiert werden.
5 zeigt die nach der Gleichung
aus den in 4 gezeigten Daten berechneten Werte, also das jeweilige Integral des transienten Spannungsverlaufs während der Messphase für die verschiedenen angegebenen Ammoniak-Konzentrationen. Mit deren Hilfe kann der erfindungsgemäße Sensor geeicht werden.
6 zeigt einen experimentellen Vergleich des Ansprechverhaltens verschiedener Messprinzipien bei schnellen Gaswechseln. Dabei wurde in dem in 6 gezeigten Beispiel nach 10 s von einem ersten, ammoniakfreien Gasgemisch (2% O₂ in N₂) auf ein zweites Gasgemisch (50 ppm NH₃, 2% O₂ in N₂) umgeschaltet.
Um einen direkten Vergleich zu ermöglichen, sind die Signalhöhen bezogen auf die Signalhöhe des dynamischen Messverfahrens skaliert. Aufgrund des komplexen Strömungsverhaltens beim Gaswechsel (Position des Sensors, Steilheit und Homogenität der Gasfront (eine Gasfront wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch als Wellenfront bezeichnet) und den Adsorptions/Desorptionseigenschaften von Ammoniak auf den Metalloberflächen der Messapparatur sind die gemessenen Ansprechzeiten nicht als Absolutwerte zu interpretieren.
Die Standard-Mischpotenzialmessung (ohne gezielte Belastung der Elektrodenpotenziale) zeigt ein sehr langsames Ansprechverhalten (durchgezogene Linie). Erst nach ca. 10 s ist das Signal weitgehend eingeschwungen, der absolute Endwert wird hingegen erst nach ca. 15 s bis 20 s erreicht.
Bei Verwendung eine Messverfahrens mit belastetem Mischpotenzial (d.h., bei welchem ein Widerstand zwischen die beiden Messelektroden geschaltet ist) ist bereits eine leichte Verbesserung erkennbar (gestrichelte Linie).
Bei Verwendung des erfindungsgemäßen dynamischen Messprinzips (strichpunktierte Kurve) wird der Endwert bei sehr guter Signalqualität um ein Vielfaches schneller erreicht. Weiterhin wird die Steigung des Signalverlaufs direkt nach dem Gaswechsel drastisch verbessert. Der erfindungsgemäß betriebene Sensor weist also ein sehr stark verbessertes Ansprechverhalten auf.

Die 7a bis 7d zeigen beispielhaft den zeitlichen Verlauf des Signals ein und desselben Sensors bei gleicher Temperatur, welcher der in der folgenden Tabelle angegebenen Sequenz unterschiedlicher Gasspezies bei einer Sauerstoffkonzentration von 5% ausgesetzt wurde.

Expositions Periode [s]	NH₃ [ppm]	NO [ppm]	NO₂ [ppm]	CO [ppm]
0 bis 30	0	0	0	0
30 bis 60	200	0	0	0
60 bis 90	0	0	0	0
90 bis 120	0	200	0	0
120 bis 150	0	0	0	0
150 bis 180	0	0	200	0
180 bis 210	0	0	0	0
210 bis 240	0	0	0	200

Zur Messung aller gezeigten, zeitlichen Sensorsignalverläufe wurde ein exemplarischer, gassymmetrischer Mischpotentialsensor verwendet, dem in der Initialisierungsphase eine Sinusspannung mit einer Amplitude von 50 mV und einer Frequenz 10 kHz aufgeprägt. Die Initialisierungsphase und die Messphase betrugen jeweils 500 μs. Der in der Messphase zwischen die beiden Elektroden geschaltete Belastungswiderstand betrug 100 kΩ. Die Messung erfolgte bei einer Temperatur von 500 °C.
Der aufgeprägte Offset der Sinusspannung wurde bei der Messung der zeitlichen Sensorsignalverläufe variiert.
So betrug der Offset (B) der Sinusspannung bei der Messung des in
7a gezeigten Sensorsignalverlaufs 0 mV. 7a zeigt, dass der Sensor bei einem Offset von 0 mV eine hohe Sensitivität auf Ammoniak (NH₃) und eine hohe Sensitivität auf Kohlenstoffmonoxid (CO) aufweist, während der Sensor auf Stickstoffmonoxid (NO) und Stickstoffdioxid (NO₂) unempfindlich ist.
Bei der in 7b gezeigten Messung betrug der Offset (B) der Sinusspannung +1800 mV. 7b zeigt, dass sich bei einer Erhöhung auf einen Offset von +1800 mV die Sensorcharakteristik deutlich verändert. Der Sensor weist bei diesem Offset, im Vergleich mit einem Offset von 0 mV, eine höhere Sensitivität auf Ammoniak, eine leichte Sensitivität auf Stickstoffmonoxid und Stickstoffdioxid und ein deutlich verringertes Sensorsignal für Kohlenstoffmonoxid auf.
Im Fall der in 7c gezeigte Messung wurde ein negativer Offset von –1800 mV aufgeprägt. 7c zeigt, dass der Sensor bei einem Offset von –1800 mV eine zu einem Offset von 0 mV vergleichbare Sensitivität auf Ammoniak aufweist. Der Betrag der Sensitivität auf Stickstoffmonoxid und Kohlenstoffmonoxid liegt in der gleichen Größenordnung wie bei einem Offset von +1800 mV. Im Gegensatz zu der Messung bei einem Offset von +1800 mV wechselt das Sensorsignal für Stickstoffmonoxid, bezogen auf die 0 ppm-Linie, sein Vorzeichen. Darüber hinaus weist der Sensor im Gegensatz zu einer Messung mit einem Offset von 0 mV und +1800 mV eine hohe Sensitivität mit positivem Vorzeichen auf Stickstoffdioxid auf.

In 7d sind die in den 7a bis 7c gezeigten Signalverläufe zum besseren Vergleich gemeinsam dargestellt. Der Signalverlauf bei einem Offset von 0 mV entspricht der durchgezogenen Linie, der Signalverlauf bei einem Offset vom +1800 mV der gestrichelten Linie und der Signalverlauf bei einem Offset von –1800 mV der gepunkteten Linie. Es ist deutlich erkennbar, dass die Sensitivität des Sensors in Abhängigkeit von dem in der Initialisierungsphase aufgeprägten Offset auf eine Gasspezies nicht/leicht reagiert oder stark reagiert und sich unterschiedliche Vorzeichen des Sensorsignals ergeben. Der Einfluss des aufgeprägten Offsets wurde in der folgenden Tabelle zusammengefasst.

	Initialisierungssequenz
	Offset = 0 mV (durchgezogene Linie)	Offset = +1800 mV (gestrichelte Linie)	Offset = –1800 mV (gepunktete Linie)
Ammoniak (NH₃)	sensitiv (negatives Vorzeichen)	sensitiv (negatives Vorzeichen)	sensitiv (negatives Vorzeichen)
Stickstoffmonoxid (NO)	nicht bzw. wenig sensitiv	leicht sensitiv (negatives Vorzeichen)	leicht sensitiv (positives Vorzeichen)
Stickstoffdioxid (NO₂)	nicht bzw. wenig sensitiv	leicht sensitiv (negatives Vorzeichen)	sensitiv (positives Vorzeichen)
Kohlenstoffmonoxid (CO)	sensitiv (negatives Vorzeichen)	leicht sensitiv (negatives Vorzeichen)	leicht sensitiv (negatives Vorzeichen)

8 zeigt den zeitlichen Verlauf des Signals des im Zusammenhang mit den 7a bis 7d verwendeten Sensors, der bei der Messung mit einer Initialisierungssequenz betrieben wurde, welche die Detektion von Stickstoffdioxid ermöglicht, sowie den zeitlichen Verlauf einer Stickstoffdioxidgassequenz, welcher der Sensor bei der Messung des Signals ausgesetzt war. Dem Sensor wurde in der Initialisierungssequenz eine Sinusspannung mit einer Amplitude von 50 mV, einer Frequenz von 10 kHz und einem Offset von –1800 mV aufgeprägt. Die Dauer der Initialisierungs- und Messphase betrug jeweils 500 μs. Während der Messphase wurde ein Belastungswiderstand von 100 kΩ zwischengeschaltet. Die Messung fand bei 500 °C in Anwesenheit von 8% Sauerstoff statt. 8 zeigt, dass das Sensorsignal bei einer stufenförmigen Erhöhung der Stickstoffdioxidkonzentration von 35 ppm auf 350 ppm deutlich korreliert und der Sensor somit unter den angegebenen Verfahrensparametern zur Messung der Stickstoffdioxidkonzentration verwendet werden kann.
Das hier beschriebene Verfahren kann in Abhängigkeit der verwendeten Initialisierungssequenz für die quantitative und qualitative Bestimmung diverser Gasbestandteile, wie Sauerstoff, brennbare Gase (Kohlenwasserstoffe, Ammoniak, Wasserstoff), Stickoxide (Stickstoffmonoxid, Stickstoffdioxid, Distickstoffoxid) oder Kohlenstoffmonoxid (CO) eingesetzt werden. Der hier beschriebene Mischpotenzialsensor kann in Abhängigkeit des Elektrodenmaterials und des Arbeitspunktes (bzgl. Temperatur und Wahl der Initialisierungssequenz für die Elektrodenpotenziale) für die quantitative und qualitative Bestimmung diverser Gasbestandteile, wie z. B. Sauerstoff, brennbare Gase (Kohlenwasserstoffe, Ammoniak, Wasserstoff), Stickoxide (Stickstoffmonoxid, Stickstoffdioxid, Distickstoffoxid) oder Kohlenstoffmonoxid (CO) eingesetzt werden.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist daher die Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens und Mischpotentialsensors zur quantitativen und qualitativen Bestimmung einzeln und nebeneinander vorliegender Gase der Gruppe umfassend Sauerstoff, Wasserstoff, Kohlenwasserstoffe, Ammoniak, Stickstoffmonoxid, Stickstoffdioxid, Distickstoffoxid und Kohlenstoffmonoxid und/oder als On-Board-Diagnosis-Sensor/Verfahren zur Funktionsüberwachung eines Verbrennungsmotors, Oxidationskatalysator und/oder SCR-Katalysator, und/oder als Sensor/Verfahren zur Überwachung der Betriebsweise einer Verbrennungsanlage und/oder Abluftanlage, und/oder als Sensor/Verfahren in einem Abgasmessgerät oder Luftqualitätsmessgerät.
Insbesondere ist mit dem genannten Messprinzip bzw. Sensor der Einsatz in Systemen mit zeitkritischen Regelungsalgorithmen denkbar. Das Messverfahren lässt sich im Übrigen auf weitere Elektrodensysteme übertragen und durch Anpassung der Parameter der Initialisierungs-Sequenz auf das jeweilige Elektrodenmaterial optimieren.

Claims

Verfahren zur Detektion verschiedener Gase in Gasgemischen mit einem Mischpotenzialsensor, aufweisend – eine oder mehrere im Abgasraum angeordnete Abgaselektrode mit Mischpotenzialverhalten, – eine in einem Luftreferenzraum oder ebenfalls im Abgasraum angeordnete zweite Elektrode, die durch einen Festkörperelektrolyten von der Abgaselektrode separiert ist, – eine Messeinrichtung zur Messung der sich zwischen Abgaselektrode und zweiter Elektrode einstellenden Spannung bzw. des Stroms, dadurch gekennzeichnet, dass – die Detektion in einem Messzyklus abläuft, der mindestens in eine Initialisierungsphase und mindestens eine nachfolgende Messphase unterteilt ist, wobei – dem Elektrodensystem während der Initialisierungsphase eine Spannungs- oder Stromsequenz aufgeprägt wird, – das Elektrodensystem während der Messphase durch Schalten eines Belastungswiderstands zwischen Abgaselektrode und zweite Elektrode belastet wird, und – während der Messphase eine Elektrodenspannung, ein Elektrodenstrom bzw. eine Spannungsdifferenz gemessen wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – die Detektion verschiedener Gase in mehreren Messzyklen abläuft, die jeweils mindestens in eine Initialisierungsphase und mindestens eine nachfolgende Messphase unterteilt sind, wobei – dem Elektrodensystem in den Initialisierungsphasen jeweils eine Spannungs- oder Stromsequenz aufgeprägt wird, die für ein in dem jeweiligen Messzyklus zu detektierendes Gas geeignet ist, – das Elektrodensystem während der Messphase durch Schalten eines Belastungswiderstands zwischen Abgaselektrode und zweite Elektrode belastet wird, und – während der Messphase eine Elektrodenspannung, ein Elektrodenstrom bzw. eine Spannungsdifferenz gemessen wird, der/die charakteristisch für das Gas ist, auf welches die Spannungs- oder Stromsequenz der vorherigen Initialisierungsphase abgestimmt ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der auf das Elektrodensystem aufgeprägten Spannungs- oder Stromsequenz um eine Gleich-, Sinus-, Rechteck- oder Dreieckspannung/strom handelt.
Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der/den aufgeprägten Spannungs- oder Stromsequenz/en um Sinusspannung/en/strom handelt, die auf eine Gleichspannungs- oder Gleichstromkomponente (Offset) aufaddiert sind.
Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Spannungs- oder Stromsequenzen, die für unterschiedliche zu detektierende Gase charakteristisch sind, im Vorzeichen und/oder Betrag ihrer Gleichspannungs-/Strom-Komponente (Offset) unterscheiden.
Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichspannungskomponente/n (Offset/s) in einem Bereich von ≥ –5000 mV bis ≤ 5000 mV, und/oder die Gleichstromkomponente in einem Bereich von ≥ 25 mA bis ≤ 25 mA, und/oder die Dauer der Initialisierungsphase (τ_{Phase 1}) in einem Bereich von ≥ 1 μs bis ≤ 10000 ms, und/oder die Dauer der Messphase (τ_{Phase 2}) in einem Bereich von ≥ 1 μs bis ≤ 10000 ms, und/oder die Dauer eines eine Initialisierungsphase und eine Messphase umfassenden Zyklus in einem Bereich von ≥ 1 μs bis ≤ 20000 ms, und/oder das Verhältnis der Dauer der Initialisierungsphase zur Dauer der Messphase in einem Bereich von > 0 bis < ∞, liegt/liegen.
Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorsignale ausgewertet werden, indem das Integral des transienten Verlaufs der Sensorspannung oder des Sensorstromes während der Messphase ermittelt wird.
Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorsignale ausgewertet werden, indem zu einem definierten Zeitpunkt während der Messphase die Sensorspannung oder der Sensorstrom gemessen wird.
Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Verfahren Sauerstoff, Wasserstoff, Kohlenwasserstoffe, Ammoniak, Stickstoffmonoxid, Stickstoffdioxid, Distickstoffoxid und/oder Kohlenstoffmonoxid und/oder deren Konzentration bestimmt wird.
Mischpotenzialsensor zur Durchführung eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1–9, aufweisend – eine im Abgasraum angeordnete Abgaselektrode mit Mischpotenzialverhalten, – eine in einem Luftreferenzraum oder ebenfalls im Abgasraum angeordnete zweite Elektrode, die durch einen Festkörperelektrolyten von der Abgaselektrode separiert ist, – eine Messeinrichtung zur Messung der sich zwischen Abgaselektrode und zweiter Elektrode einstellenden Spannung, – eine Messeinrichtung zur Messung der sich zwischen Abgaselektrode und Referenzelektrode einstellenden Spannung bzw. des Stromes, – sowie eine Auswerteinrichtung zur Berechnung der Konzentration einer Gaskomponente, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor weiterhin eine Steuereinrichtung – zur zeitkoordinierten Aufprägung einer Spannungs- oder Stromsequenz auf das Elektrodensystem in einer Initialisierungsphase, – zur zeitkoordinierten Änderung des Widerstandswerts des Belastungswiderstandes nach Abschluss der Initialisierungsphase und – zur zeitkoordinierten Messwertaufnahme aufweist.
Mischpotenzialsensor gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Festkörperelektrolyten um Yttrium-stabilisertes Zirkoniumoxid handelt.
Mischpotenzialsensor gemäß Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Belastungswiderstand Widerstandswerte zwischen 100 MΩ und 0 Ω (Kurzschluss) einstellbar sind.
Mischpotenzialsensor gemäß einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass es bei mindestens einer der Elektroden um eine Platinelektrode handelt.
Mischpotenzialsensor gemäß einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei mindestens einer der Mischpotenzialelektroden um eine für die Messung von Ammoniak geeignete Elektrode handelt.
Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 oder eines Mischpotenzialsensor nach einem der Ansprüche 10 bis 14 zur quantitative und qualitative Bestimmung einzeln und nebeneinander vorliegender Gase der Gruppe umfassend Sauerstoff, Wasserstoff, Kohlenwasserstoffe, Ammoniak, Stickstoffmonoxid, Stickstoffdioxid, Distickstoffoxid und Kohlenstoffmonoxid und/oder als On-Board-Diagnosis-Sensor/Verfahren zur Funktionsüberwachung eines Verbrennungsmotors, Oxidationskatalysator und/oder SCR-Katalysator, und/oder als Sensor/Verfahren zur Überwachung der Betriebsweise einer Verbrennungsanlage und/oder Abluftanlage, und/oder als Sensor/Verfahren in einem Abgasmessgerät oder Luftqualitätsmessgerät.