DE102007057135A1

DE102007057135A1 - Gassensor und Verfahren zur Detektion von Teilchen in einem Gasstrom

Info

Publication number: DE102007057135A1
Application number: DE102007057135A
Authority: DE
Inventors: Henrico Runge; Detlef Heimann; Jens Schneider; Thomas Seiler; Juergen Ruth; Lothar Diehl; Goetz Reinhardt
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2007-11-28
Filing date: 2007-11-28
Publication date: 2009-06-04
Also published as: US20090152130A1; US8163161B2

Abstract

Ein Gassensor 10 zur Detektion von Teilchen in einem Gasstrom weist eine erste elektrochemische Pumpzelle 14 auf, die einen Messraum 16 aufweist, in dem eine erste Elektrode 18 angeordnet ist, um Teilchen zwischen dem ersten Messraum 16 und dem Gasstrom zu pumpen. Ferner ist eine zweite elektrochemische Pumpzelle 20 vorgesehen, die einen zweiten Messraum 22 aufweist, in dem eine zweite Elektrode 24 angeordnet ist, um Teilchen zu pumpen. Erfindungsgemäß ist der zweite Messraum 22 über ein Absorbermedium 34 zur Absorption der zu detektierenden Teilchen mit dem Gasstrom verbunden. Dies ermöglicht es, mit dem Absorbermedium 34 in einem ersten Betriebsmodus die zu detektierenden Teilchen zu absorbieren und in einem zweiten Betriebsmodus die absorbierten Teilchen zu desorbieren und die Menge der desorbierten Teilchen zu detektieren. Dadurch können mit dem Gassensor 10 auch geringe Konzentrationen berücksichtigt werden und kurzzeitige Messfehler wirken sich nicht so gravierend aus.

Description

Die Erfindung betrifft einen Gassensor, sowie ein Verfahren mit deren Hilfe Teilchen, insbesondere gasförmige Komponenten und/oder Moleküle, in einem Gasstrom, insbesondere in Stickoxide (NO_x) in einem Abgasstrom eines Kraftfahrzeugs, detektiert werden können.
Stand der Technik
Aus DE 10 2005 056 522 A1 ist ein nach dem Doppelkammerprinzip arbeitender Gassensor bekannt, der zwei elektrochemische Pumpzellen aufweist, die jeweils eine in einem Messraum angeordnete Elektrode aufweisen, mit deren Hilfe Gasmoleküle zwischen dem Messraum und der Umgebung gepumpt werden können. Die erste Pumpzelle ist mit dem Gasstrom verbunden, um die im Gasstrom zu detektierenden Teilchen zu detektieren. Die zweite Pumpzelle ist als Referenz mit einem Referenz-Gasstrom verbunden, der im Wesentlichen keine zu detektierende Teilchen aufweist. Die Elektroden der Pumpzellen wirken jeweils mit einer ihnen zugeordneten gegenpoligen Gegenelektrode zusammen, sodass es möglich ist an den jeweiligen Elektroden ein Messsignal, insbesondere einen elektrischen Strom, abzugreifen. Das Verhältnis des von der ersten Elektrode erhaltenen Messsignals mit dem von einer zweiten Elektrode erhaltenen Referenz-Messsignals ist ein Maß für die Konzentration der zu detektierenden Teilchen, insbesondere NO_x.
Nachteilig bei einem derartigen Gassensor ist, dass insbesondere sehr geringe Konzentrationen nicht detektiert werden können, da derartige Messsignale im Signalrauschen untergehen. Insbesondere können derartige Messsignale nicht von möglichen Störungen, RD 40171/SAM:GR:sn beispielsweise durch Instabilitäten oder elektrische Einkopplungen, unterschieden werden. Ferner ist es möglich, dass sich durch Alterungserscheinungen des Gassensors das Messsignal verändert, wobei diese Veränderung des Messsignals bei der Konzentrationsmessung nicht berücksichtigt werden kann.
Es ist die Aufgabe der Erfindung einen Gassensor sowie ein Verfahren zur Detektion von Teilchen in einem Gasstrom zu schaffen, die jeweils auch geringe Konzentrationen berücksichtigen können und robuster gegen kurzzeitige Messfehler sind.
Offenbarung der Erfindung
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch einen Gassensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 beziehungsweise den Merkmalen des Anspruchs 9 sowie ein Verfahren zur Detektion von Teilchen in einem Gasstrom mit den Merkmalen des Anspruchs 10. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Der erfindungsgemäße Gassensor zur Detektion von Teilchen in einem Gasstrom, mit dessen Hilfe insbesondere NO_x in einem Abgasstrom eines Kraftfahrzeuges detektiert werden kann, weist eine erste elektrochemische Pumpzelle und eine zweite elektrochemische Pumpzelle auf. Die erste elektrochemische Pumpzelle weist einen ersten Messraum auf, in dem eine erste Elektrode angeordnet ist. Mit Hilfe der ersten Pumpzelle können Teilchen zwischen dem ersten Messraum und dem Gasstrom gepumpt werden. Das heißt Teilchen können von dem Gasstrom in den Messraum und/oder von dem Messraum in den Gasstrom gepumpt werden. Entsprechend weist die zweite Pumpzelle einen zweiten Messraum auf, in dem eine zweite Elektrode angeordnet ist. Mit Hilfe der zweiten Pumpzelle können Teilchen zwischen dem Messraum und einer Umgebung gepumpt werden. Erfindungsgemäß ist der zweite Messraum über ein Absorbermedium zur Absorption der zu detektierenden Teilchen mit dem Gasstrom verbunden. Insbesondere kann ein Massenstrom von dem Gasstrom ausschließlich nur über das Absorbermedium in die zweite Pumpzelle erfolgen.
Dadurch, dass zwischen dem zweiten Messraum und dem Gasstrom das Absorbermedium angeordnet ist, wird vermieden, dass die zu detektierenden Teilchen, beispielsweise gasförmige Komponenten und/oder Moleküle, in den zweiten Messraum hinein gelangen, sodass die zweite Pumpzelle eine Referenz für die erste Pumpzelle bilden kann. Gleichzeitig werden die in dem Massenstrom, der von dem Gasstrom in den zweiten Messraum strömt, enthaltenen zu detektierenden Teilchen in dem Absorbermedium allmählich aufkummuliert. Die in dem Absorbermedium aufkummulierten Teilchen können nach einer bestimmten Zeitspanne aus dem Absorbermedium entfernt werden, indem beispielsweise das Absorbermedium auf eine so hohe Temperatur erwärmt wird, dass die zuvor absorbierten Teilchen von dem Absorbermedium desorbiert werden. Die desorbierten Teilchen können dann, beispielsweise von einer weiteren Pumpzelle, detektiert werden. Vorzugsweise erfolgt die Detektion der desorbierten Teilchen mit Hilfe der zweiten Pumpzelle, die sowieso in dem Gassensor vorhanden ist. Die desorbierten Teilchen weisen eine so hohe Konzentration auf, dass sie ohne größere Probleme gemessen werden können, ohne dass ein Informationsverlust durch Signalrauschen zu befürchten ist. Da die Menge der desorbierten Teilchen der absoluten Menge, der über einen bestimmten Zeitraum absorbierten Teilchen entspricht, kann ein Messsignal erhalten werden, das ein Maß für die aufkummulierte Menge der zu detektierenden Teilchen in einem bestimmten Zeitraum darstellt. Im Vergleich zu einer kontinuierlichen Messung können kurzzeitige Messfehler das Messergebnis nicht signifikant beeinträchtigen, sodass der erfindungsgemäße Gassensor gegenüber kurzzeitigen Messfehlern robuster ist. Insbesondere ist es möglich die Messung der aufkummulierten desorbierten Teilchen mit der kontinuierlichen Messung zu vergleichen, um die zuvor erhaltenen Messergebnisse einer Plausibilitätsprüfung zu unterziehen. Dies ermöglicht es fehlerhafte Messungen zu identifizieren und eine Weitergabe der fehlerhaften Messergebnisse zu unterbinden und/oder zu korrigieren.
Vorzugsweise ist eine Heizvorrichtung zum Heizen der ersten Pumpzelle und/oder der zweiten Pumpzelle vorgesehen. Die Heizvorrichtung ist insbesondere derart mit dem Absorbermedium thermisch verbunden, dass über die Heizvorrichtung in dem Absorbermedium eine erste Temperatur T₁ und eine von der ersten Temperatur T₁ verschiedene zweite Temperatur T₂ einstellbar ist. Bei der ersten Temperatur T₁ absorbiert das Absorbermedium die zu detektierenden Teilchen, während bei der zweiten Temperatur T₂ das Absorbermedium die zuvor absorbierten zu detektierenden Teilchen desorbiert. Je nach Betriebsweise der Heizvorrichtung kann zu einem bestimmten vordefinierten Zeitpunkt bzw. innerhalb bestimmter vordefinierter Zeitintervalle das Absorbermedium geheizt bzw. gekühlt werden, um das Absorbermedium in einen Zustand zu bringen, in dem das Absorbermedium die zu detektierenden Teilchen absorbiert oder desorbiert. Das Absorbermedium wird hierbei insbesondere zu einem Zeitpunkt auf die zweite Temperatur T₂ erwärmt, bevor die Absorbtionskapazität des Absorbermediums erschöpft ist. Dadurch können ungenaue Messergebnisse vermieden werden. Besonders bevorzugt ist eine Sicherheitsschaltung vorgesehen, welche die Heizvorrichtung einschaltet, um das Absorbermedium auf die zweite Temperatur T₂ zu erwärmen, wenn innerhalb der zweiten Pumpzelle ein zu detektierendes Teilchen festgestellt wird. Dies ermöglicht es zu große Zeitintervalle, innerhalb dessen das Absorbermedium die zu detektierenden Teilchen sammelt, zu vermeiden. Stattdessen ist es möglich je nach aktueller Konzentration der zu detektierenden Teilchen die Zeitintervalle anzupassen und bei zu hohen Konzentrationen erforderlichenfalls zu verkürzen.
Besonders bevorzugt ist eine Speichereinheit vorgesehen, mit dessen Hilfe der zeitliche Verlauf der von der ersten Elektrode und von der zweiten Elektrode erhältlichen Messsignale gespeichert werden können. Ferner kann eine Vergleichseinheit vorgesehen sein, mit dessen Hilfe der zeitliche Verlauf der erhaltenen Messsignale für einen ersten Betriebsmodus, in dem das Absorbermedium die zu detektierenden Teilchen absorbiert, mit dem zeitlichen Verlauf der eingehenden Messsignale für einen zweiten Betriebsmodus, in dem das Absorbermedium die absorbierten zu detektierenden Teilchen desorbiert, zu vergleichen. Dies ermöglicht es, die im ersten Betriebsmodus kontinuierlich gemessenen Messwerte, mit der aufkummulierten Menge der desorbierten Teilchen im zweiten Betriebsmodus zu vergleichen. Ferner ist es möglich verschiedene Messzyklen miteinander zu vergleichen, um beispielsweise längerfristige Trends, die beispielsweise auf eine allmähliche Beeinträchtigung eines Kraftfahrzeugskatalysators hinweisen, feststellen zu können.
Mit dem zweiten Messraum kann in einer bevorzugten Ausführungsform ein Abführkanal verbunden sein, der zu dem Absorbermedium beabstandet angeordnet ist. Insbesondere kann der Abführkanal mit einer Unterdruckquelle verbunden sein. Diese stellt sicher, dass sämtliche aus dem Absorbermedium desorbierten Teilchen in den zweiten Messraum gepumpt bzw. gesaugt werden, sodass fehlerhafte Messwerte vermieden bzw. reduziert werden.
Vorzugsweise ist der erste Messraum über einen ersten Zuführkanal mit dem Gasstrom verbunden. Entsprechend kann der zweite Messraum über einen zweiten Zuführkanal mit dem Gasstrom verbunden sein. Der erste Zuführkanal und der zweite Zuführkanal können insbesondere unterschiedliche Querschnitte aufweisen, sodass es möglich ist, über die Wahl der Querschnitte der Zuführkanäle, ein anfängliches Grundverhältnis der von der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode erhältlichen Messwerte vorzugeben. Je nach gewähltem Querschnitt für den jeweiligen Zuführkanal ist es möglich bei der jeweiligen Elektrode der Pumpzelle ein stärkeres oder schwächeres Signal zu erhalten.
Vorzugsweise ist der erste Messraum über eine erste Gasbarriere zur Verringerung eines gepumpten Massenstroms mit dem Gasstrom verbunden. Zusätzlich bzw. alternativ kann der zweite Messraum über eine zweite Gasbarriere zur Verringerung eines gepumpten Massenstroms mit dem Gasstrom verbunden sein. Je nach Wahl von der Größe, des Materials, der Porosität und vergleichbarer Parameter kann durch die erste Gasbarriere und/oder die zweite Gasbarriere der in den jeweiligen Messraum gepumpte Gasstrom beeinflusst werden, sodass es möglich ist, mit Hilfe der Wahl geeigneter Gasbarrieren ein anfängliches Grundverhältnis der von der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode erhältlichen Messwerten vorzugeben, wobei insbesondere die erste Gasbarriere und die zweite Gasbarriere unterschiedlich stark sind. Besonders bevorzugt ist die zweite Gasbarriere durch das Absorbermedium ausgebildet, wobei es natürlich grundsätzlich möglich ist zusätzlich zu dem Absorbermedium eine weitere zweite Gasbarriere vorzusehen, um den Massenstrom in den zweiten Messraum hinein zu beeinflussen.
Vorzugsweise wirken die erste Elektrode und die zweite Elektrode mit einer gemeinsamen gegenpoligen Gegenelektrode zusammen, sodass es nicht erforderlich ist für jede Elektrode jeweils eine Gegenelektrode vorzusehen. Die Gegenelektrode ist hierbei insbesondere dem• Gasstrom ausgesetzt, um eine ausreichende Pumpwirkung in den Pumpzellen bereitzustellen. Da die erste Pumpzelle und die zweite Pumpzelle jeweils die gleichen Teilchen detektieren sollen, sind beide Elektroden als Kathode oder Anode ausgebildet, sodass eine gemeinsame Gegenelektrode in Form einer Anode oder Kathode möglich ist.
Insbesondere ist es möglich die erste Pumpzelle im Wesentlichen gleichartig zur zweiten Pumpzelle auszubilden, sodass es möglich ist gleichartige Bauteilmodule zur Ausbildung des Gassensors zu verwenden. Vorzugsweise ist die erste Elektrode und die zweite Elektrode aus demselben Material, beispielsweise golddotiertes Metall oder rhodiumdotiertes Metall, hergestellt. Besonders bevorzugt sind die erste Elektrode und die zweite Elektrode gleich geformt. Dies ermöglicht es, die Anzahl unterschiedlicher Bauteile zu reduzieren, sodass die Herstellung vereinfacht ist.
Die Erfindung betrifft ferner einen Gassensor zur Detektion von Teilchen, insbesondere NO_x, in einem Gasstrom, mit genau einer elektrochemischen Pumpzelle, die einen eine Elektrode aufweisenden Messraum aufweist. Mit Hilfe der elektrochemischen Pumpzelle können Teilchen zwischen dem Messraum und dem Gasstrom gepumpt werden. Erfindungsgemäß ist der Messraum über ein Absorbermedium zur Absorption der zu detektierenden Teilchen mit dem Gasstrom verbunden ist. Der Gassensor kann wie vorstehend beschrieben mit der Maßgabe aus- und weitergebildet sein, dass nur ein einziger Messraum vorgesehen ist. Wie vorstehend beschrieben können durch diesen Gassensor auch geringe Konzentrationen berücksichtigt werden, so dass der Gassensor robuster gegen kurzzeitige Messfehler ist.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Detektion von Teilchen, insbesondere NO_x, in einem Gasstrom, bei dem zunächst ein Gassensor bereitgestellt wird, der dem Gasstrom ausgesetzt wird. Der Gassensor kann insbesondere, wie vorstehend beschrieben, aus- und weitergebildet sein. Ein Teil des Gasstroms wird mit Hilfe der ersten Pumpzelle in den ersten Messraum gepumpt, um ein erstes Messsignal zu erhalten. Ferner wird mit Hilfe der zweiten Pumpzelle ein Teil des Gasstroms in den zweiten Messraum gepumpt, um ein zweites Messsignal zu erhalten. Bevor der gepumpte Massenstrom in den zweiten Messraum eintritt, passiert der gepumpte Massenstrom zunächst das Absorbermedium. Die zweite Pumpzelle wird zunächst in einem ersten Betriebsmodus mit einer ersten Temperatur T₁ betrieben, bei der das Absorbermedium die zu detektierenden Teilchen absorbiert. Anschließend wird die zweite Pumpzelle in einem zweiten Betriebsmodus mit einer zweiten Temperatur T₂ betrieben, bei der das Absorbermedium die zuvor absorbierten zu detektierenden Teilchen desorbiert. Dies ermöglicht es im zweiten Betriebsmodus die aufkummulierte Menge der zuvor absorbierten zu detektierenden Teilchen zu messen, sodass es möglich ist auch geringe Konzentration zu berücksichtigen. Ferner wird der Einfluss kurzzeitiger Messfehler reduziert, sodass das Verfahren robuster ist. Der Wechsel von dem ersten Betriebsmodus in den zweiten Betriebsmodus erfolgt insbesondere bevor die Absorbtionskapazität des Absorbermediums erschöpft ist. Der Wechsel von dem zweiten Betriebsmodus zu dem ersten Betriebsmodus erfolgt insbesondere dann, wenn nahezu die gesamte zuvor absorbierte Menge der zu detektierenden Teilchen desorbiert wurde und insbesondere die zweite Pumpzelle keine zu detektierenden Teilchen mehr detektiert und/oder nur genauso viele Teilchen detektiert wie in der ersten Pumpzelle.
Besonderes bevorzugt wird bei dem Verfahren der zeitliche Verlauf der alten Messsignale für den ersten Betriebsmodus mit dem zeitlichen Verlauf der alten Messsignale für den zweiten Betriebsmodus verglichen. Dadurch können Messfehler festgestellt werden.
Zeichnungen
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Es zeigen:
1: eine schematische Ansicht des erfindungsgemäßen Gasensors und
2: ein schematisches Diagramm qualitativer Messwerte bei Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Der in 1 dargestellte Gassensor 10 weist einen Körper 12 auf, der in der Regel mehrschichtig ausgebildet ist, wobei aus Gründen der Übersichtlichkeit die mehreren Schichten des Körpers 12 in 1 nicht dargestellt sind. In dem Körper 12 des Gassensors 10 ist eine erste elektrochemische Pumpzelle 14 vorgesehen, die einen Messraum 16 aufweist, in den eine erste Elektrode 18 hineinragt. Ferner ist eine zweite elektrochemische Pumpzelle 20 vorgesehen die einen zweiten Messraum 22 aufweist, in den eine zweite Elektrode 24 hineinragt. Mit einer Oberseite 26 ist der Körper 12 des Gassensors 10 einem Gasstrom ausgesetzt, dessen Konzentration, beispielsweise NO_x gemessen werden soll. Hierzu ist der erste Messraum 16 über einen ersten Zuführkanal 28 mit dem Gasstrom verbunden. Vor dem ersten Messraum 16 ist eine erste Gasbarriere 30 angeordnet, damit der über den ersten Zuführkanal 28 in den ersten Messraum 16 gepumpte Massenstrom begrenzt werden kann. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der zweite Messraum 22 über einen zweiten Zuführkanal 32 mit dem Gasstrom verbunden. Die Verbindung des zweiten Messraums 22 mit dem Gasstrom erfolgt jedoch nur über ein zwischengeschaltetes Absorbermedium 34, mit dessen Hilfe die zu detektierenden Teilchen absorbiert werden können. Für den Fall, dass die Wirkung des Absorbermediums 34 als Gasbarriere nicht ausreichend sein sollte, kann eine zweite Gasbarriere 36 vorgesehen sein, die vor dem Absorbermedium und/oder hinter dem Absorbermedium 34 angeordnet sein kann.
Die erste Pumpzelle 14 kann mit Hilfe eines ersten Heizelements 38 auf eine bestimmte Temperatur eingestellt werden. Entsprechend kann die zweite Pumpzelle 20 mit Hilfe eines zweiten Heizelements 40 ebenfalls auf eine bestimmte Temperatur eingestellt werden, die insbesondere unabhängig von der in der ersten Pumpzelle 18 eingestellten Temperatur sein kann. Die beiden Heizelemente 38, 40 können Teil derselben Heizvorrichtung 42 sein und beispielsweise über einen gemeinsamen Sammelleiter mit einer Energiequelle verbunden sein. Mit Hilfe des zweiten Heizelements 40 der Heizvorrichtung 42 ist es möglich die zweite Pumpzelle 20 und insbesondere das Absorbermedium 34 zu heizen und/oder zu kühlen. Das Absorbermedium 34 kann somit auf eine erste Temperatur T₁ eingestellt werden, bei der in einem ersten Betriebsmodus das Absorbermedium 34 die zu detektierenden Teilchen absorbiert. Nach einer geeigneten Zeitspanne kann mit Hilfe eines zweiten Heizelements 40 in der zweiten Pumpzelle 20 und insbesondere in dem Absorbermedium 34 eine zweite Temperatur T₂ eingestellt werden, bei der in einem zweiten Betriebsmodus die zuvor absorbierten zu detektierenden Teilchen desorbiert werden. Die desorbierten Teilchen können dann in der zweiten Pumpzelle 20 detektiert werden. Um zu verhindern, dass ein Teil der desorbierten Teilchen aus dem Absorbermedium 34 über den zweiten Zuführkanal 32 an der zweiten Elektrode 24 der zweiten Pumpzelle 20 vorbei gelangen, ist im dargestellten Ausführungsbeispiel ein vom Gasstrom weg weisender Abführkanal 44 vorgesehen, der die desorbierten Teilchen aus dem zweiten Messraum 22 abführt. Hierzu kann der Abführkanal 44 mit einer Unterdruckquelle verbunden sein, wobei der erforderliche Unterdruck auch durch den an einer Ausgangsöffnung 46 des Abführkanals 44 vorbeiführenden Gasstrom erfolgen kann. Durch eine katalytische Reaktion der zu detektierenden Teilchen an der Oberfläche der jeweiligen Elektrode 18, 24 erfolgt eine Elektronenabgabe bzw. eine Elektronenaufnahme, sodass zwischen der jeweiligen Elektrode 18, 24 und einer entsprechenden gegenpoligen Gegenelektrode 48 ein Strom fließt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist für die erste Elektrode 18 und für die zweite Elektrode 24 genau eine gemeinsame Gegenelektrode 48 vorgesehen. Der zwischen der ersten Elektrode 18 und der Gegenelektrode 48 fließende Strom kann mit einem ersten Messgerät 50 gemessen werden. Entsprechend wird der zwischen der zweiten Elektrode 24 und der Gegenelektrode 40 fließende Strom mit einem zweiten Messgerät 52 gemessen.
Die mit Hilfe der Messgeräte 50, 52 gemessenen Messsignale können in einem ersten Teil 54 einer Speichereinheit 56 gespeichert werden, sodass der zeitliche Verlauf der Messsignale gespeichert bleibt. In einer mit der Speichereinheit 56 verbundenen Vergleicheinheit 58 können die gespeicherten Messsignale miteinander und insbesondere das Verhältnis der gemessenen Ströme verschiedener Zeiträume miteinander verglichen werden. Hierbei wird insbesondere das Verhältnis der von den Messgeräten 50, 52 gemessenen Ströme während des ersten Betriebsmodus mit den entsprechenden Messsignalen während des zweiten Betriebsmodus verglichen, sodass es möglich ist die aufkummulierte Menge der absorbierten zu detektierenden Teilchen, die im zweiten Betriebsmodus vom Absorbermedium abgegeben werden, mit der von der ersten Pumpzelle 14 kontinuierlich gemessenen Menge der zu detektierenden Teilchen im ersten Betriebsmodus zu vergleichen. Das Ergebnis dieses Vergleichs kann in einem zweiten Teil 60 der Speichereinheit 56 gespeichert werden. Für den Fall, dass aufgrund des Vergleichs keine fehlerhafte Messung festgestellt wurde, kann das so verifizierte Ergebnis beispielsweise an eine Onbordeinheit 62 eines Kraftfahrzeugs zur weiteren Verarbeitung weitergeleitet werden.
In 2 ist schematisch der Verlauf des Verhältnisses der von dem zweiten Messgerät 52 gemessenen Stroms zum von dem ersten Messgerät 50 gemessenen Stroms über der Zeit aufgetragen. Eine Normallinie 64 zeigt den Verlauf an, wenn der Gasstrom keine zu detektierende Teilchen enthält. Falls der Gasstrom eine konstante Konzentration der zu detektierenden Teilchen enthält, ergibt sich ein Verlauf 66, da in der ersten Pumpzelle 14 ein größerer Strom, als in der zweiten Pumpzelle 20 gemessen wird. Wenn zu einem Zeitpunkt 68 von dem ersten Betriebsmodus zum zweiten Betriebsmodus gewechselt wird und das Absorbermedium 34 die zuvor absorbierten Teilchen desorbiert, ergibt sich ein Sprung 70, da plötzlich in der zweiten Pumpzelle 20 ein deutlich höherer Strom gemessen werden kann. Im zweiten Betriebsmodus stellt sich ein Verlauf 72 ein, der allmählich abfallend ist, da die Menge der desorbierten Teilchen mit zunehmender Zeit weniger wird. Sobald sich der Verlauf 72 der Normallinie 64 annähernd, sind im Wesentlichen sämtliche zuvor in dem Absorbermedium 34 absorbierten Teilchen desorbiert, sodass der Gassensor 10 wieder im ersten Betriebsmodus betrieben werden kann.
Der in 2 dargestellte Verlauf der Messwerte entspricht einer Messung von Teilchen, die reduziert werden können. Falls von dem ersten Messgerät 50 und/oder dem zweiten Messgerät 52 oxidierbare Teilchen gemessen werden, kann der jeweilige Verlauf an der Normallinie 64 gespiegelt dargestellt sein.
Um mit dem Gassensor 10 NO_x zu messen, besteht das Absorbermedium 34 insbesondere aus BaCO₃ oder BaO, das insbesondere mit einem Platingruppenmetall (Pd, Pt, Rh, Ru, Ir) dotiert ist. Ferner werden die erste Elektrode 18 und die zweite Elektrode 24 als Kathode betrieben, sodass die Gegenelektrode 48 als Anode betrieben wird.
In einer weiteren nicht dargestellten Ausführungsform können die erste Pumpzelle 14 und ihr Heizelement 38 eingespart werden. Der Gassensor 10 besteht in dieser Ausführungsform im Wesentlichen nur aus einer einzigen elektrochemischen Pumpzelle 20, die wie die oben beschriebene zweite Pumpzelle 20 aufgebaut sein kam, d. h. bei der das Umgebungsgas über ein Absorbermedium 34 zur Elektrode 24 gelangt. Als auszuwertendes Signal dient der Vergleich der Messströme dieser einen Pumpzelle 20 im ersten Betriebsmodus mit ihren Messströmen im zweiten Betriebsmodus. Der zu erwartende Signalverlauf entspricht im Wesentlichen demjenigen in 2. Um Fehlereinflüsse gering zu halten, kann vor Beginn der Signalaufzeichnung mit Hilfe einer ebenfalls im Abgasstrang vorhandenen Sauerstoffsonde ein Lambda = 1-Abgas eingestellt werden, das bis zum Ende des zweiten Betriebsmodus konstant gehalten wird. Diese Maßnahme kann auch für den zuerst beschriebenen Gassensor 10 verwendet werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102005056522 A1 [0002]

Claims

Gassensor zur Detektion von Teilchen, insbesondere NO_x, in einem Gasstrom, mit einer ersten elektrochemischen Pumpzelle (14), die einen ersten eine erste Elektrode (18) aufweisenden Messraum (16) aufweist, zum Pumpen von Teilchen zwischen dem ersten Messraum (16) und dem Gasstrom und einer zweiten elektrochemischen Pumpzelle (20), die einen zweiten eine zweite Elektrode (24) aufweisenden Messraum (22) aufweist, zum Pumpen von Teilchen, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Messraum (22) über ein Absorbermedium (34) zur Absorption der zu detektierenden Teilchen mit dem Gasstrom verbunden ist.
Gassensor nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass eine Heizvorrichtung (42) zum Heizen der ersten Pumpzelle (14) und/oder der zweiten Pumpzelle (20) vorgesehen ist, wobei die Heizvorrichtung (42) derart mit dem Absorbermedium (34) thermisch verbunden ist, dass über die Heizvorrichtung (42) in dem Absorbermedium (34) eine erste Temperatur T₁ und eine von der ersten Temperatur T₁ verschiedene zweite Temperatur T₂ einstellbar ist, wobei das Absorbermedium (34) bei der ersten Temperatur T₁ die zu detektierenden Teilchen absorbiert und bei der zweiten Temperatur T₂ die absorbierten zu detektierenden Teilchen desorbiert.
Gassensor nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass der zeitliche Verlauf der von der ersten Elektrode (18) und von der zweiten Elektrode (24) erhältlichen Messsignale, in einer Speichereinheit (56) speicherbar sind und die Speichereinheit (56) eine Vergleichseinheit (58) aufweist, wobei in der Vergleichseinheit (58) der zeitliche Verlauf der erhaltenen Messsignale für eine ersten Betriebsmodus, in dem das Absorbermedium (34) die zu detektierenden Teilchen absorbiert, mit dem zeitlichen Verlauf der erhaltenen Messsignale für einen zweiten Betriebsmodus, in dem das Absorbermedium (34) die absorbierten zu detektierenden Teilchen desorbiert, vergleichbar ist.
Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass mit dem zweiten Messraum (22) ein zum Absorbermedium (34) beabstandeter Abführkanal (44) verbunden ist.
Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass der erste Messraum (16) über einen ersten Zuführkanal (28) mit dem Gasstrom verbunden ist und der zweite Messraum (22) über einen zweiten Zuführkanal (32) mit dem Gasstrom verbunden ist, wobei der erste Zuführkanal (28) und der zweite Zuführkanal (32) unterschiedliche Querschnitte aufweisen, um ein anfängliches Grundverhältnis der von der ersten Elektrode (18) und von der zweiten Elektrode (24) erhältlichen Messwerte vorzugeben.
Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass der erste Messraum (16) über eine erste Gasbarriere (30) zur Verringerung eines gepumpten Massenstroms und/oder der zweite Messraum (22) über eine zweite Gasbarriere (36) zur Verringerung eines gepumpten Massenstroms mit dem Gasstrom verbunden ist, um ein anfängliches Grundverhältnis der von der ersten Elektrode (18) und von der zweiten Elektrode (24) erhältlichen Messwerte vorzugeben, wobei insbesondere die erste Gasbarriere (30) und die zweite Gasbarriere (36) unterschiedlich stark sind.
Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrode (18) und die zweite Elektrode (24) mit einer gemeinsamen gegenpoligen Gegenelektrode (48) zusammenwirken, wobei die Gegenelektrode (48) dem Gasstrom ausgesetzt ist.
Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrode (18) und die zweite Elektrode (24) aus demselben Material hergestellt sind und insbesondere gleich geformt sind.
Gassensor zur Detektion von Teilchen, insbesondere NO_x, in einem Gasstrom, mit genau einer elektrochemischen Pumpzelle (20), die einen eine Elektrode (24) aufweisenden Messraum (22) aufweist, zum Pumpen von Teilchen zwischen dem Messraum (22) und dem Gasstrom dadurch gekennzeichnet, dass der Messraum (22) über ein Absorbermedium (34) zur Absorption der zu detektierenden Teilchen mit dem Gasstrom verbunden ist.
Verfahren zur Detektion von Teilchen, insbesondere NO_x, in einem Gasstrom, mit den Schritten: Bereitstellen eines dem Gasstrom ausgesetzten Gassensors (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, Pumpen eines Teils des Gasstroms in den ersten Messraum (16) mit Hilfe der ersten Pumpzelle (14), um ein erstes Messsignal zu erhalten, Pumpen eines Teils des Gasstroms in den zweiten Messraum (22) mit Hilfe der zweiten Pumpzelle (20), um ein zweites Messsignal zu erhalten, wobei der gepumpte Massenstrom vor Eintritt in den zweiten Messraum (22) das Absorbermedium (34) passiert, Betreiben der zweiten Pumpzelle (20) in einem ersten Betriebsmodus mit einer ersten Temperatur T₁, bei der das Absorbermedium (34) die zu detektierenden Teilchen absorbiert, und anschließendes Betreiben der zweiten Pumpzelle (20) in einem zweiten Betriebsmodus mit einer zweiten Temperatur T₂, bei der das Absorbermedium (34) die zuvor absorbierten zu detektierenden Teilchen desorbiert.
Verfahren nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass der zeitliche Verlauf der erhaltenen Messsignale für den ersten Betriebsmodus mit dem zeitlichen Verlauf der erhaltenen Messsignale für den zweiten Betriebsmodus verglichen wird.