DE102010028559A1

DE102010028559A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung einer Eigenschaft eines Gases

Info

Publication number: DE102010028559A1
Application number: DE201010028559
Authority: DE
Inventors: Dirk Liemersdorf; Benjamin Sillmann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2010-05-04
Filing date: 2010-05-04
Publication date: 2011-11-10

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Bestimmung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum (112) vorgeschlagen, insbesondere zur Erfassung einer Gaskomponente. Dabei wird ein Sensorelement (114) mit mindestens einer Nachweiszelle (122) zur Erfassung der Eigenschaft verwendet. Der Nachweiszelle (122) wird mindestens eine Pumpzelle (120) zum Entfernen mindestens einer Störkomponente vorgeschaltet, so dass Gas aus dem Messgasraum (112) zunächst die Pumpzelle (120) passiert und anschließend zu der Nachweiszelle (122) gelangt. Die Pumpzelle (120) wird derart betrieben, dass die Störkomponente zumindest teilweise aus dem Gas abgepumpt wird, bevor dieses die Nachweiszelle (122) erreicht. Die Pumpzelle (120) wird mit mindestens einem Basissignal (158) und mindestens einem dem Basissignal (158) überlagerten Wechselsignal (160) betrieben.

Description

Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche Sensorelemente bekannt, mittels derer eine oder mehrere Eigenschaften von Gasen qualitativ oder quantitativ erfasst werden können. Insbesondere kann es sich dabei um Sensorelemente handeln, welche auf der Verwendung von Festelektrolyten, insbesondere keramischen Festelektrolyten, basieren, also der Eigenschaften bestimmter Festkörper, eine oder mehrere Arten von Ionen zu leiten. Insbesondere kann es sich hierbei um Sauerstoffionen leitende Festelektrolyte handeln, wie beispielsweise Yttrium-stabilisiertes Zirkoniumdioxid (YSZ) und/oder Scandium-dotiertes Zirkoniumdioxid (ScSZ). Die Erfindung wird im Folgendem im Wesentlichen beschrieben unter Bezugnahme auf Sensoren, die zum qualitativen und/oder quantitativen Nachweis mindestens einer Gaskomponente in dem Gas dienen, also zum Nachweis beispielsweise eines Anteils der Gaskomponente, gemessen beispielsweise in Form eines Partialdrucks, eines Prozentsatzes oder einer anderen Messgröße, wie beispielsweise einer Luftzahl. Insbesondere wird die Erfindung beschrieben unter Bezugnahme auf einen selektiven Nachweis von Stickoxiden in dem Gas, insbesondere einem Abgas, beispielsweise einem Abgas einer Brennkraftmaschine. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch grundsätzlich möglich.
So sind aus dem Stand der Technik beispielsweise Sensorelemente bekannt, welche zur Messung kleiner Gaskonzentrationen von Nicht-Sauerstoffgasen (d. h. einem Gas, das nicht ausschließlich aus Sauerstoff besteht), hauptsächlich NO_x, bei vorhandenem Sauerstoffhintergrund eingesetzt werden können und welche beispielsweise Festelektrolyt-Sensoren auf Zirkoniumdioxidbasis verwenden. Beispiele derartiger Sensorelemente sind aus EP 0 769 693 A1 oder beispielsweise auch aus WO 2010/003826 A1 bekannt. Die in diesen Druckschriften beschriebenen Sensorelemente können grundsätzlich auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden.
Beispielsweise wird in dem in EP 0 769 693 A1 beschriebenen Sensorelement ein Aufbau verwendet, bei welchem mehrere Abschnitte oder Kammern existieren, die voneinander durch eine oder mehrere Diffusionsbarrieren getrennt sind. Sauerstoff wird dabei an einer ersten und gegebenenfalls einer weiteren Elektrode eines Pumpzellen-Aufbaus entfernt. Somit ist anschließend idealerweise kein Sauerstoff in dem Gas mehr vorhanden. Es schließt sich eine Nachweiszelle an, mit einer selektiven Pumpelektrode (NO-Elektrode), an welcher selektiv Stickoxide zersetzt werden und der daraus entstandene Sauerstoff als Ionenstrom zu einer Referenzelektrode oder einer anderen Elektrode gepumpt wird. Der dazu korrespondierende, sehr kleine elektrische Strom, welcher typischerweise bei kleinen NO_x-Konzentrationen im Nanoampere- bis Mikroampere-Bereich liegt, wird gemessen und stellt ein Maß für die NO- bzw. NO_x-Konzentration im Abgas dar.
Eine Fehlerquelle bei diesen bekannten Sensorelementen und Verfahren zum NO_x-Nachweis stellt jedoch in der Regel die nicht optimale Entfernung parasitärer Sauerstoffanteile in der oder den vorgelagerten Pumpzellen dar. Da im Folgenden bei der Nachweiszelle nicht mehr unterschieden wird durch einen auf der Zersetzung von NO_x basierenden Pumpstrom und einen auf molekularem Sauerstoff basierenden Pumpstrom, führt jeder Durchbruch von Sauerstoff sofort zu einer Verfälschung des NO_x-Signals, so dass die gemessene NO_x-Konzentration in der Regel größer ist als die reale NO_x-Konzentration. Andererseits führt eine zu aggressive Sauerstoffentfernung in der vorgeschalteten Pumpzelle insbesondere bei geringen Sauerstoffanteilen im Bereich der abpumpenden Elektrode zu einer unerwünschten Zersetzung von Stickoxiden, insbesondere Stickstoffmonoxid, bereits in der ersten Pumpkammer des Sensors und damit zu einer Verfälschung des NO_x-Signals. In diesem Fall ist das gemessene NO_x-Signal kleiner als die reale NO_x-Konzentration. Aufgrund dieser grundsätzlichen Effekte muss im Stand der Technik entweder ein leichter Sauerstoff-Durchbruch oder ein leichter Verlust an NO akzeptiert werden und gegebenenfalls im Rahmen der zur Verfügung stehenden Möglichkeiten durch Kompensationsrechnungen korrigiert werden, was jedoch in der Praxis fehleranfällig ist. Wünschenswert wären daher eine Vorrichtung und ein Verfahren, mittels derer eine quantitative, selektive Detektion verschiedener Gaskomponenten, beispielsweise NO_x, mit sehr hoher Auflösung möglich ist, insbesondere zum Einsatz als NO_x-Sensor für die On-Board-Diagnose in Kraftfahrzeugen. Insbesondere wäre ein Verfahren wünschenswert, bei welchem die Sauerstoffentfernung verbessert werden kann, um eine Gesamtgenauigkeit zu erhöhen.
Offenbarung der Erfindung
Es werden daher ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum vorgeschlagen, welche die oben beschriebenen Nachteile bekannter Verfahren und Vorrichtungen zumindest weitgehend vermeiden. Bei der mindestens einen Eigenschaft des Gases kann es sich grundsätzlich um eine beliebige physikalisch und/oder chemisch messbare Eigenschaft handeln. Insbesondere kann es sich hierbei um eine qualitative und/oder quantitative Erfassung mindestens einer Gaskomponente in dem Gas handeln, wobei auf die obige Beschreibung des Standes der Technik verwiesen werden kann. Bei dem Gas kann es sich insbesondere um ein Abgas, vorzugsweise ein Abgas einer Brennkraftmaschine, handeln, und bei dem Messgasraum vorzugsweise um einen Abgastrakt.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird ein Sensorelement mit mindestens einer Nachweiszelle zur Erfassung der Eigenschaft eingesetzt. Bei der Nachweiszelle kann es sich insbesondere um mindestens eine Nachweis-Pumpzelle handeln, so dass der Nachweis der mindestens einen Eigenschaft, beispielsweise der quantitative Nachweis einer Gaskomponente, beispielsweise über eine Erfassung eines Pumpstroms erfolgen kann. Insbesondere kann die Nachweiszelle mindestens eine Nachweiselektrode aufweisen, die mit dem Gas beaufschlagt wird, vorzugsweise eine katalytisch aktive Nachweiselektrode, welche eingerichtet ist, um die Gaskomponente in Bestandteile zu zerlegen, beispielsweise einen Sauerstoffanteil und einen Nicht-Sauerstoffanteil. Diesbezüglich kann beispielsweise auf den oben zitierten Stand der Technik der NO_x-Sensoren verwiesen werden.
Weiterhin weist das Sensorelement mindestens eine Pumpzelle zur Entfernung und optional auch Messung mindestens einer Störkomponente auf, welche der Nachweiszelle vorgeschaltet ist. Beispielsweise kann die Nachweiszelle ganz oder teilweise in mindestens einer Nachweiskammer des Sensorelements angeordnet sein, beispielsweise indem eine Nachweiselektrode (beispielsweise eine NO-Pumpelektrode) in dieser Nachweiskammer angeordnet ist. Der Nachweiskammer kann mindestens eine Pumpkammer vorgeschaltet sein, welche beispielsweise von der Nachweiskammer über mindestens eine optionale Diffusionsbarriere, also mindestens ein ein unmittelbares Nachströmen von Gas verhinderndes Element, getrennt ist. Die Pumpzelle kann ganz oder teilweise in der mindestens einen Pumpkammer angeordnet sein, beispielsweise indem eine oder mehrere Pumpelektroden der mindestens einen Pumpzelle in der Pumpkammer angeordnet sind. Die Pumpkammer kann auch mehrere Pumpkammern umfassen, so dass beispielsweise ein kaskadiertes Entfernen einer Störkomponente möglich ist. Auch diesbezüglich kann auf den oben beschriebenen Aufbau bekannter NO_x-Sensorelemente verwiesen werden. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch grundsätzlich möglich.
Bei der mindestens einen Störkomponente kann es sich insbesondere um Sauerstoff handeln. Dementsprechend kann die mindestens eine Pumpzelle als Sauerstoff-Pumpzelle ausgestaltet sein und betrieben werden, welche eingerichtet ist, um Sauerstoff aus dem Gas zu entfernen, bevor dieses die Nachweiszelle, insbesondere eine Nachweiselektrode der Nachweiszelle, erreicht. Dementsprechend kann die mindestens eine Pumpzelle beispielsweise mindestens eine dem Gas ausgesetzte Pumpelektrode umfassen, welche vorzugsweise katalytisch nicht oder nur wenig aktiv ist. Beispielsweise kann es sich bei dieser katalytisch nicht oder nur wenig aktiven mindestens einen Pumpelektrode um eine Platin-Gold-Pumpelektrode handeln, also beispielsweise eine Platin-Gold-Cermet-Elektrode, mit einem Gold-Anteil, welcher die katalytische Aktivität des Platin-Anteils verringert. Die mindestens eine Pumpzelle kann beispielsweise über mindestens eine Diffusionsbarriere mit dem Messgasraum in Verbindung stehen, so dass aus dem Messgasraum Gas zunächst in die mindestens eine Pumpkammer gelangen kann und von dieser beispielsweise in die mindestens eine Nachweiskammer. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch grundsätzlich möglich.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird die Pumpzelle derart betrieben, dass die Störkomponente zumindest teilweise aus dem Gas abgepumpt wird, bevor dieses die Nachweiszelle erreicht. Ein Gedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die geforderte Genauigkeit des Verfahrens, beispielsweise die geforderte Genauigkeit einer NO_x-Detektion bei einer Konzentration von NO_x beispielsweise im einstelligen ppm-Bereich, dadurch erreicht werden kann, dass eine hohe Selektivität bei der vorgelagerten Entfernung der Sauerstoffanteile realisiert wird. Das vorgeschlagene Verfahren basiert daher auf der Überlegung, einen Betriebsmodus der Pumpzelle, beispielsweise der Sauerstoffpumpzelle, vorzuschlagen, welcher eine Verbesserung der Entfernung der Störkomponente, beispielsweise der Sauerstoffkomponente, aufgrund einer reduzierten unerwünschten Zersetzung anderer Komponenten an der Pumpzelle beinhaltet, beispielsweise eine reduzierte, unerwünschte Zersetzung von NO an einer O₂-Pumpelektrode der Pumpzelle. Weiterhin soll der Betriebsmodus einen geringeren O₂-Durchbruch und die Einflussmöglichkeit auf die Materialeigenschaften und Alterungseigenschaften der Pumpzelle, beispielsweise einer O₂-Pumpelektrode der Pumpzelle, beinhalten. Die Pumpelektrode kann beispielsweise eine Gold-Platin-Cermet-Elektrode sein. Dies wird, wie unten erläutert wird, bei dem erfindungsgemäßen Verfahren durch eine dynamische Betriebsweise erreicht, welche eine Einflussnahme beispielsweise auf die lokale Sauerstoffkonzentration und/oder die elektrochemischen Eigenschaften der Pumpzelle im Bereich der Dreiphasengrenze einer Pumpelektrode der Pumpzelle, beispielsweise einer abpumpenden Sauerstoffelektrode, ermöglicht. Damit wird insbesondere der Fall einer unerwünschten NO-Zersetzung bei geringen O₂-Konzentrationen gehemmt. Des Weiteren kann durch die vorgeschlagene dynamische Betriebsweise ein Einfluss auf eine Materialzusammensetzung im Bereich oberster Atomlagen von Mischsystem-Pumpelektroden, beispielsweise Au-Pt-Elektroden, möglich sein. Damit besteht die Möglichkeit, Veränderungen der Pumpelektrode über die Lebenszeit des Sensorelements zu beeinflussen. Die Pumpzelle kann insbesondere mit einer von der Temperatur der Nachweiszelle verschiedenen Temperatur betrieben werden. Zu diesem Zweck können beispielsweise ein oder mehrere Heizelemente vorgesehen sein. Verschiedene Ausgestaltungen sind möglich.
Dementsprechend wird vorgeschlagen, die Pumpzelle mit mindestens einem Basissignal zu beaufschlagen. Unter einem Basissignal ist dabei im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Signal zu verstehen, welches einen Signallevel aufweist, der sich, lediglich vergleichsweise langsam bzw. in bekannter Weise ändert und/oder gezielt eingestellten bzw. eingeregelten Spannungswert entspricht. Dies kann beispielsweise auch der aus dem Gesamtsignal resultierende zeitlich variable Mittelwert sein. Bei dem Basissignal kann es sich beispielsweise um ein Basisspannungssignal und/oder auch um ein Basisstromsignal handeln. Dem Basissignal wird mindestens ein Wechselsignal überlagert. Das Wechselsignal kann ein Wechselsignal und/oder auch ein Wechselstromsignal sein. Unter einem Wechselsignal ist, im Unterschied zu einem Basissignal, ein Signal zu verstehen, welches hochfrequente Änderungen aufweisen kann. Dabei beinhaltet der Begriff Wechselsignal ein zeitlich veränderliches Spannungssignal und/oder Stromsignal, welches insbesondere regelmäßig wiederholt wird, wobei das Wechselsignal aus beliebigen Kurvenformen bestehen kann.
Der Basissignalanteil und der Wechselspannungsanteil des Gesamtsignals sollten dabei allgemein derart ausgestaltet sein, dass die aus diesen Signalanteilen resultierenden Signalantwortanteile zumindest weitgehend trennbar sind. Dementsprechend sind die Begriffe „Basissignal” und „Wechselsignal” weit zu fassen, und es ist eine Vielzahl von Ausgestaltungen möglich, die eine Trennung derartig überlagerter Signale bzw. deren Signalantworten erlaubt. Beispielsweise kann sich der Basissignalanteil in Abhängigkeit einer Sauerstoffkonzentration ändern. Diese kann beispielsweise im Abgasstrang auch sehr schnell variieren. Das Basissignal kann beispielsweise derart ausgestaltet sein, dass dieses im Wesentlichen dem Mittelwert des Gesamtsignals des aufgeprägten Signals entspricht. Unter „im Wesentlichen” kann dabei beispielsweise eine Abweichung von weniger als 10%, insbesondere von weniger als 5% und besonders bevorzugt von weniger als 2% verstanden werden. Die Signale, also das Basissignal und/oder das Wechselsignal, können dabei grundsätzlich jeweils als kontinuierliche oder auch als diskontinuierliche Signale ausgestaltet sein.
Insbesondere kann das Wechselsignal Frequenzen auf einer Frequenzskala von mindestens 0,1 Hz aufweisen, vorzugsweise von mindestens 10 Hz und insbesondere von mindestens 100 Hz. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch grundsätzlich möglich, da beispielsweise der Wert des Basissignals auch zumindest zeitweise Null sein kann. Es ist diesbezüglich darauf hingewiesen, dass das Basissignal und/oder das Wechselsignal jeweils sowohl stromgetrieben als auch spannungsgetrieben ausgestaltet sein können. So kann beispielsweise das Basissignal eine Aufprägung einer Basisspannung auf die Pumpzelle bedeuten oder auch eines Basisstroms. Analog kann eine Aufprägung eines Wechselsignals sowohl im Sinne einer Aufprägung einer Wechselspannung als auch im Sinne einer Aufprägung eines Wechselstroms auf die Pumpzelle erfolgen.
Das vorgeschlagene Verfahren kann auf verschiedene Weisen vorteilhaft ausgestaltet werden. Insbesondere kann das Verfahren, wie oben beschrieben, zur Bestimmung mindestens einer Nicht-Sauerstoffkomponente des Gases eingesetzt werden, wobei die Nicht-Sauerstoffkomponente eine Sauerstoff-Verbindung ist, insbesondere ein Stickoxid, wobei die Störkomponente beispielsweise molekularer Sauerstoff sein kann. Das Wechselsignal kann insbesondere eine Frequenz von 0,1 Hz bis 1 MHz, insbesondere 100 Hz bis 1 MHz und besonders bevorzugt 1 kHz bis 100 kHz aufweisen. Das Wechselsignal kann insbesondere eine Amplitude von 0 bis 3 V (d. h. > 0 V bis einschließlich 3 V), vorzugsweise von 1 mV bis 1,5 V (d. h. einschließlich 1 mV bis einschließlich 1,5 V) und besonders bevorzugt von 10 mV bis 1 V (d. h. einschließlich 10 mV bis einschließlich 1 V) aufweisen.
Das Wechselsignal kann grundsätzlich beliebige Signalformen aufweisen. Beispielsweise kann das Wechselsignal ausgewählt sein aus einem Sinussignal, einem Rechtecksignal, einem Dreiecksignal, einem Sägezahnsignal, einem Signal mit einer Abfolge von Pulsen oder anderen Signalformen. Auch Kombinationen verschiedener Signalformenbeispielsweise den genannten Signalformen, gleicher oder unterschiedlicher Art, sind möglich. Dabei können periodische oder auch nicht-periodische Wechselsignale verwendet werden. Im Rahmen einer Regelung, wie unten beschrieben, können beispielsweise auch Pulsweiten und/oder Frequenzen geregelt und/oder moduliert werden, genauso wie auch beispielsweise Phasen und/oder Amplituden geregelt werden können.
Das Wechselsignal kann weiterhin kontinuierlich und ohne Unterteilung in Phasen ausgestaltet sein. Alternativ kann dieses auch mehrphasig ausgestaltet sein. Dabei kann beispielsweise eine aktive Phase vorgesehen sein, wobei die Pumpzelle in der aktiven Phase mit einer Spannung und/oder einem Strom beaufschlagt wird. und wobei mindestens eine passive Phase vorgesehen ist, wobei in der passiven Phase eine passive Beschaltung der Pumpzelle und/oder ein Leerlauf der Pumpzelle erfolgt, beispielsweise eine passive Beschaltung über mindestens einen Widerstand zwischen den Pumpelektroden der Pumpzelle oder über einen Kurzschluss.
Die Beaufschlagung der Pumpzelle mit dem Wechselsignal kann insbesondere geregelt erfolgen. Dabei kann beispielsweise eine Regelung auf mindestens eine Regelgröße erfolgen, die beispielsweise ausgewählt sein kann aus: einer Sauerstoffkonzentration; einem Sauerstoff-Partialdruck; einer Luftzahl; einer Temperatur; einer Konzentration einer Nicht-Sauerstoff-Gaskomponente, insbesondere einer Stickoxid-Konzentration; einem aktuellen Verhältnis zweier Gaskomponenten, insbesondere zweier Nicht-Sauerstoff-Gaskomponenten, insbesondere einem aktuellen Verhältnis von NO₂ zu NO; einer Temperatur des Gases; einer weiteren Mess-, Stell- oder Regelgröße des Sensorelements, wie beispielsweise einer Spannung und/oder einem Strom. Auch andere Mess-, Stell- oder Regelgröße und/oder Kombinationen der genannten und/oder anderer Mess-, Stell- oder Regelgrößen sind möglich.
Bei der Regelung kann insbesondere mindestens eine Stellgröße generiert werden, welche mindestens einen Parameter des Wechselsignals und/oder eines Offsets umfasst. Der Offset kann auch Bestandteil des Wechselsignals sein. Dies bedeutet, dass mittels der Regelung unmittelbar Einfluss auf die Ausgestaltung des Wechselsignals genommen werden kann. Beispielsweise können als Stellgröße eine oder mehrere der folgenden Stellgrößen verwendet werden: eine Frequenz des Wechselsignals, eine Amplitude des Wechselsignals, ein Offset des Wechselsignals, eine Pulsweite von Pulsen des Wechselsignals, bei mehrphasigen Wechselsignalen ein Verhältnis der Phasendauern der Phasen, eine Amplitude einzelner Phasen, eine Spannung und/oder Stromstärke während einer aktiven Phase, eine Beschaltung während einer passiven Phase (beispielsweise ein Lastwiderstand). Auch andere Stellgrößen können verwendet werden, welche Einfluss auf das Wechselsignal und/oder dessen Gestaltung haben und welche über dieses wiederum einen Einfluss beispielsweise auf die lokale Sauerstoffkonzentration am Ort einer Pumpelektrode der Pumpzelle und/oder eine Zusammensetzung dieser Elektrode und/oder eine katalytische Aktivität dieser Elektrode nehmen können.
Neben dem vorgeschlagenen Verfahren in einer oder mehreren der oben beschriebenen Varianten wird weiterhin eine Vorrichtung zur Bestimmung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum vorgeschlagen. Die Vorrichtung umfasst mindestens ein Sensorelement mit mindestens einer Nachweiszelle zur Erfassung der Eigenschaft, wobei das Sensorelement weiterhin mindestens eine der Nachweiszelle vorgeschaltete Pumpzelle zur Entfernung mindestens einer Störkomponente aufweist. Bezüglich der möglichen Ausgestaltungen der Pumpzelle und der Nachweiszelle kann beispielsweise auf die obige Beschreibung verwiesen werden. Beispielsweise kann das Sensorelement derart ausgestaltet sein, dass dieses mindestens eine Pumpkammer aufweist, wobei mindestens eine Pumpelektrode der Pumpzelle in der Pumpkammer vorgesehen sein kann. Die Pumpkammer kann beispielsweise über mindestens eine erste Diffusionsbarriere mit Gas aus dem Messgasraum beaufschlagbar sein. Auch mehrere Pumpkammern und/oder Pumpzellen können vorgesehen sein, wobei die mehreren Pumpkammern beispielsweise untereinander durch mindestens eine, vorzugsweise zwei oder mehr Diffusionsbarrieren verbunden sein können. Weiterhin kann das Sensorelement mindestens eine Nachweiskammer umfassen, in welcher mindestens eine Nachweiselektrode der Nachweiszelle angeordnet ist. Die Nachweiskammer kann beispielsweise mit der Pumpkammer und/oder mindestens einer der Pumpkammern direkt oder indirekt verbunden sein, beispielsweise wiederum über mindestens eine Diffusionsbarriere. Die Nachweiszelle kann beispielsweise wiederum als Nachweis-Pumpzelle ausgestaltet sein, mit mindestens einer als Nachweis-Pumpelektrode ausgestalteten Elektrode in der mindestens einen Nachweiskammer. Mindestens eine weitere Elektrode der Nachweiszelle, beispielsweise eine Gegen-Pumpelektrode und/oder eine Referenzelektrode, kann entweder in einem Referenzgasraum angeordnet sein und/oder in einem anderen Hohlraum, beispielsweise einem gasdicht abgeschlossenen Hohlraum. Bezüglich herkömmlicher Sensorelemente, bei welcher die Referenzelektrode der Nachweiszelle in einem Referenzgasraum, beispielsweise einem Luftreferenzkanal, angeordnet ist, kann beispielsweise auf die EP 0 769 693 A1 verwiesen werden. Bezüglich möglicher Ausgestaltungen von Sensorelementen, bei welchen die mindestens eine zweite Elektrode der Nachweiszelle in einem gasdicht abgeschlossenen Hohlraum angeordnet ist, kann beispielsweise auf die WO 2010/003826 , auf DE 10 2008 040 314 A1 oder auf andere Druckschriften verwiesen werden. Die dort beschriebenen Sensorelemente sind grundsätzlich auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung einsetzbar.
Das Sensorelement ist allgemein derart eingerichtet, dass das Gas aus dem Messgasraum zunächst die Pumpzelle passiert und anschließend zu der Nachweiszelle gelangt. Die Vorrichtung weist weiterhin mindestens eine Steuerung auf, welche separat von dem mindestens einen Sensorelement ausgestaltet sein kann, welche jedoch auch ganz oder teilweise in das Sensorelement integriert sein kann. Die Steuerung kann beispielsweise mit dem Sensorelement über mindestens eine Schnittstelle verbunden sein. Die Steuerung ist eingerichtet, um ein Verfahren gemäß einer oder mehreren der oben beschriebenen Ausgestaltungen durchzuführen. Zu diesem Zweck kann die Steuerung beispielsweise eine oder mehrere elektronische Komponenten umfassen, welche das oben beschriebene Verfahren ermöglichen. Beispielsweise kann die Steuerung eine oder mehrere Spannungsquellen und/oder Stromquellen umfassen, mittels derer die Pumpzelle mit dem Wechselsignal und/oder dem Basissignal beaufschlagbar ist. Weiterhin kann die Steuerung mindestens eine Vorrichtung zur Erfassung der mindestens einen Eigenschaft umfassen, die mit der mindestens einen Nachweiszelle zusammenwirkt. Diese Vorrichtung kann beispielsweise eine oder mehrere Spannungsmessvorrichtungen, eine oder mehrere Strommessvorrichtungen oder andere Vorrichtungen umfassen. Weiterhin kann die Steuerung beispielsweise mindestens eine Regelung umfassen, beispielsweise um das Wechselsignal mittels einer oder mehreren der oben beschriebenen Regelgrößen geregelt zu betreiben. Weiterhin kann die Steuerung beispielsweise eine oder mehrere Datenverarbeitungsvorrichtungen umfassen. Diese mindestens eine Datenverarbeitungsvorrichtung kann beispielsweise einen oder mehrere Mikrocomputer umfassen, welche vorzugsweise programmtechnisch eingerichtet sein können, um das Verfahren gemäß einer oder mehreren der oben beschriebenen Ausgestaltungen vollständig oder teilweise durchzuführen. Damit können eine oder mehrere der oben beschriebenen Verfahrenskomponenten auch vollständig oder teilweise mittels entsprechender Softwarekomponenten umgesetzt werden.
Kurze Beschreibung der Figuren
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
2 und 3 schematische Darstellungen mikroskopischer Erläuterungen der Effekte einer Wechselspannungsaufprägung; und
4, 5A und 5B verschiedene Ausgestaltungen von Pumpsignalen mit überlagerten Gleichspannungs- und Wechselsignalen gemäß der vorliegenden Erfindung.
Ausführungsbeispiele
In 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 110 zur Bestimmung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum 112 dargestellt. Die Vorrichtung 110 ist in diesem Ausführungsbeispiel eingerichtet, um eine NO_x-Konzentration in dem Messgasraum zu bestimmen und umfasst ein Sensorelement 114 sowie eine Steuerung 116. Die Steuerung 116 ist mit dem Sensorelement 114 beispielsweise über eine Schnittstelle 118 verbunden. Auch eine andere Ausgestaltung ist denkbar, beispielsweise eine Ausgestaltung, bei welcher die Steuerung 116 ganz oder teilweise in das Sensorelement 114 integriert ist. Das Sensorelement 114 ist in diesem Ausführungsbeispiel exemplarisch als einfacher konventioneller keramischer NO_x-Grenzstromsensor ausgestaltet, beispielsweise gemäß dem in EP 0 769 693 A1 beschriebenen Aufbau. Diesbezüglich kann weitgehend auf diesen Stand der Technik und die dort beschriebene Betriebsweise verwiesen werden. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch grundsätzlich möglich, beispielsweise Ausgestaltungen gemäß dem weiteren, oben genannten Stand der Technik oder neue, nicht aus dem Stand der Technik bekannte Sensoraufbauten. Das Sensorelement 114 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel eine Pumpzelle 120 und eine Nachweiszelle 122. Die Pumpzelle 120 ist zur Entfernung und ggf. paralleler Messung einer Störkomponente aus dem Gas ausgestaltet, in diesem Fall zur Entfernung von Sauerstoff, also als Sauerstoff-Pumpzelle. Dementsprechend umfasst die Pumpzelle 120 in dem dargestellten Ausführungsbeispiel mindestens eine innere Sauerstoffpumpelektrode 124, die in einer Pumpkammer 126 angeordnet ist, welche wiederum über eine Diffusionsbarriere 128 mit Gas aus dem Messgasraum 112 beaufschlagbar ist. Die innere Sauerstoffpumpelektrode 124 ist beispielsweise aus einer Platin-Gold-Legierung hergestellt und weist eine geringe katalytische Aktivität auf. Weiterhin umfasst die Pumpzelle 120 eine nicht in der Pumpkammer 126 angeordnete äußere Sauerstoffpumpelektrode 130, welche beispielsweise indem Messgasraum 112 angeordnet ist oder in einem anderen Raum und welche mit der inneren Sauerstoffpumpelektrode 124 über einen Festelektrolyten 132, beispielsweise einen keramischen Festelektrolyten, wie beispielsweise YSZ, verbunden ist.
Die Nachweiszelle 122 umfasst eine Messelektrode 134, welche in diesem Ausführungsbeispiel in einer mit der Pumpkammer 126 über mindestens eine Diffusionsbarriere 136 verbundenen Messkammer 138 angeordnet ist. Die Messelektrode 134 weist vorzugsweise eine hohe katalytische Aktivität auf und ist beispielsweise aus einem Platin-Rhodium-Material hergestellt. Weiterhin umfasst die Nachweiszelle 122 mindestens eine Gegenelektrode 140, welche nicht in der Messkammer 138 angeordnet ist und welche beispielsweise in dem dargestellten Ausführungsbeispiel in einer Luftreferenz 142 angeordnet ist. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch grundsätzlich möglich. Beispielsweise sind Ausgestaltungen möglich, bei welchen die Gegenelektrode 140 in mindestens einem weiteren Hohlraum angeordnet ist, beispielsweise in einem gasdicht abgeschlossenen Hohlraum. Die Messelektrode 134 und die Gegenelektrode 140 sind wiederum über einen Festelektrolyten 132 miteinander verbunden. Weiterhin umfasst das Sensorelement 114 in dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel optional mindestens eine Nernstzelle 144, mit einer in der Pumpkammer 126 angeordneten inneren Elektrode 146 und einer in der Luftreferenz 142 angeordneten Referenzelektrode 148. Weiterhin umfasst das Sensorelement 114 optional eine oder mehrere integrierte Heizelemente 150, gegebenenfalls mit einem oder mehreren Isolatoren.
Das vorgeschlagene Verfahren wird vorzugsweise auf die als Sauerstoffpumpzelle ausgestaltete Pumpzelle 120 in dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 angewandt. Der weitere Einsatz der Betriebsweise auch auf andere Sensoren wie λ-Sonden und/oder andere elektrochemische Zellen ist jedoch grundsätzlich denkbar. Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird insbesondere eine unerwünschte Stickoxid-Zersetzung, insbesondere eine unerwünschte NO-Zersetzung, an der der Nachweiszelle 122 vorgeschalteten Pumpzelle 120 und insbesondere an der als O₂-Pumpelektrode ausgestalteten inneren Sauerstoffpumpelektrode 124 gehemmt. Insbesondere bei niedrigen Sauerstoffkonzentrationen im Bereich der inneren Sauerstoffpumpelektrode 124 kann die unerwünschte Zersetzung von NO verstärkt auftreten, da eine Hemmung durch die leichtere bzw. favorisiertere Zersetzung von O₂ bei geringen O₂-Konzentrationen bzw. in Abwesenheit von O₂ (d. h. in fetten Gasgemischen) signifikant verringert ist.
Eine Idee des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht daher darin, durch eine dynamische Betriebsweise neben der Hauptfunktion (d. h. dem Abpumpen von O₂ aus der Pumpkammer 126) phasenweise einen Rücktransport von O₂ zu erreichen, welcher unabhängig von der aktuellen Sauerstoffkonzentration zu einer minimalen Erhöhung der O₂-Konzentration lokal im Bereich der Dreiphasengrenze Gas-Elektrodenmaterial-Festelektrolyt im Bereich der inneren Sauerstoffpumpelektrode 124 führt. Dies soll den oben beschriebenen Schutzmechanismus bewirken, bei welchem eine NO-Zersetzung gegenüber der favorisierten O₂-Zersetzung unterdrückt wird, auch bei einem Brutto-Abpumpen von Sauerstoff aus der Pumpkammer 126.
Das erfindungsgemäß verwendete Konzept ist exemplarisch und symbolisch in den 2 und 3 dargestellt und soll anhand dieser Figuren erläutert werden. 2 zeigt dabei ein Wechselsignal, bei welchem der Pumpzelle 120 eine Spannung U bzw. ein Strom I aufgeprägt wird. Dargestellt sind diese Signale als Funktion der Zeit t. 3 zeigt mikroskopisch die Vorgänge an der inneren Sauerstoffpumpelektrode 124 im Bereich des Übergangs zum Festelektrolyten 132. Dabei ist der Transport von Sauerstoff-Ionen (O^2-) symbolisch mit den Pfeilen 152 bezeichnet, wobei die dicken Pfeile die Haupt-Transportrichtung aus der Pumpkammer 126 heraus kennzeichnen, und die dünnen, entgegengesetzt gerichteten Pfeile einen kurzfristigen, temporären geringen Sauerstoffrücktransport. Das aufgeprägte Signal gemäß 2 weist dabei einen Hauptanteil 154 auf, der die Sauerstoffentfernung (dicke Pfeile in 3) bewirkt, und einen temporären, geringen Anteil 156 eines Sauerstoffrücktransports. Diese Darstellungen sollen den temporären Wechsel der Pumpspannung und/oder des Pumpstroms, kombiniert mit den Auswirkungen auf den Sauerstofftransport und somit auch die lokale Sauerstoffkonzentration an der Elektrodenoberfläche der inneren Sauerstoffpumpelektrode 124, verdeutlichen.
Im einfachsten Fall kann dies erfindungsgemäß durch die Überlagerung des für die Sauerstoffentfernung relevanten Mittelwerts mit einem Wechselsignal realisiert werden. Dies ist in 4 dargestellt. Gezeigt ist hierbei wiederum ein Verlauf eines auf die Pumpzelle 120 aufgeprägten Strom- und/oder Spannungssignals (Pumpspannung U_p bzw. I_p), welches aus zwei Bestandteilen zusammengesetzt ist, nämlich einem Basissignal 158 und einem Wechselsignal 160. Beispielsweise kann ein geregelter Basissignalanteil verwendet werden, beispielsweise um eine geregelte Sauerstoffabfuhr aus der Pumpkammer 126 zu bewerkstelligen, beispielsweise geregelt durch das Signal der Nernstzelle 144. Der Wechselsignalanteil 160 kann beispielsweise sinusförmig ausgestaltet sein, wie in 4 angedeutet. Dieses Wechselsignal 160 dient, wie oben beschrieben, einer Verbesserung der Pump- und Selektivitätseigenschaften der inneren Sauerstoffpumpelektrode 124.
Beispielsweise kann das Wechselsignal 160 eine Frequenz von 0,1 Hz bis 10 MHz (d. h. bis einschließlich 10 MHz) aufweisen, vorzugsweise 100 Hz bis 1 MHz und besonders bevorzugt 1 kHz bis 100 kHz. Die Amplitude des Wechselsignals 160 kann vorzugsweise zwischen 0 und 3 V (d. h. > 0 bis einschließlich 3 V) betragen, vorzugsweise 1 mV bis 1,5 V und besonders bevorzugt 1 mV bis 1 V. Ein Offset, welcher dem Basissignal entsprechen kann und welcher in diesem Fall durch die Sauerstoffregelung gegeben ist, kann beispielsweise –3 V bis +3 V betragen, vorzugsweise –2 V bis +2 V und besonders bevorzugt –1 V bis +1 V.
Alternativ oder zusätzlich zu den oben beschriebenen sinusförmigen Wechselsignalen 160 können auch andere Sequenzen für dieses Wechselsignal 160 verwendet werden. So sind beispielsweise Rechteckfunktionen, Dreieckfunktionen, Sägezahnfunktionen, Pulse oder ähnliches möglich. Das Wechselsignal 160 kann dem Basissignal 158 überlagert sein. Da die Amplitude des Basissignal 158 grundsätzlich, insbesondere temporär, auch 0 betragen kann, kann das Wechselsignalsignal 160 auch als alleiniges Signal verwendet werden und dann das Gesamtsignal darstellen. Das Wechselsignal 160 kann dann beispielsweise selbst eingesetzt werden, um die Regelung des für die O₂-Entfernung relevanten Mittelwerts des Pumpstroms durch die Pumpzelle 120 zu bewerkstelligen, beispielsweise über eine Frequenzregelung, eine Amplitudenregelung, eine Regelung eines Bias, eine Regelung eines Duty-Cycle, eine Regelung einer Wiederholungsfrequenz, eine Regelung einer Signalform oder ähnliches.
Weiterhin können auch Signale auf die Pumpzelle 120 aufgeprägt werden, welche zwei oder mehr Phasen aufweisen. Dies ist exemplarisch in den 5A und 5B dargestellt. Wiederum zeigt 5A einen Verlauf des Gesamtsignals (als Pumpspannung U_p oder Pumpstrom I_p) als Funktion der Zeit t. 5B zeigt das Wechselsignal 160 in dem in 5A mit dem Buchstaben A bezeichneten Ausschnitt. Insbesondere aus dem in 5B gezeigten Ausschnitt ist erkennbar, dass das Wechselsignal 160 hier zwei Phasen aufweist, nämlich eine aktive Phase 162, in welcher eine Spannungs- oder Stromaufprägung auf die Pumpzelle 120 erfolgt, und eine kurzzeitige passive Phase 164, in welcher die Pumpzelle 120 passiv beschaltet wird, d. h. in der beispielsweise die Elektroden 124, 130 der Pumpzelle 120 über einen Widerstand verbunden oder kurzgeschlossen oder im Leerlauf betrieben werden. Diese passive Phase 164 kann somit auch eine Leerlauf- oder Kurzschlussphase der Pumpzelle 120 sein. Neben den dargestellten Verfahren sind weitere dynamische Verfahren möglich, welche zwischen mindestens einer aktiven Spannungs- oder Stromaufprägung und mindestens einer passiven Beschaltung, beispielsweise über einen Ohmschen Widerstand, alternierend wechseln. Die passive Phase 164 kann dabei allgemein auch als Relaxationsphase bezeichnet werden, und die aktive Phase 162 als Initialisierungsphase.
Beispielsweise kann die Phasendauer der Initialisierungsphase von 0 s bis 10 s, vorzugsweise von 0 s bis 1 s und besonders bevorzugt von 0 s bis 100 ms (d. h. jeweils vorzugsweise > 0 s) betragen. Die Phasendauer der Relaxationsphase beträgt beispielsweise 0 s bis 10 s (d. h. wiederum mehr als 0 s bis einschließlich 10 s), vorzugsweise 0 s bis 1 s, besonders bevorzugt 0 s bis 100 ms. Der Belastungswiderstand kann grundsätzlich zwischen demjenigen eines Kurzschlusses (0 Ω) bis demjenigen eines Leerlaufs (unendlich hoher Widerstand) liegen, vorzugsweise bei 100 Ω bis 10 MΩ und besonders bevorzugt von 1 kΩ bis 1 MΩ. Die Wechselsignalamplitude in der mehrphasigen Beschaltung kann beispielsweise von 0 bis 3 V betragen (d. h. > 0 V bis einschließlich 3 V), vorzugsweise von 1 mV bis 1,5 V und besonders bevorzugt von 10 mV bis 1 V. Der Offset, welcher durch die Sauerstoffregelung gegeben ist, kann beispielsweise –3 V bis 3 V betragen, vorzugsweise –2 V bis +2 V und besonders bevorzugt –1 V bis +1 V.
Neben der Erhöhung der Selektivität durch die Eigenschaften des Elektrodenmaterials, insbesondere des Elektrodenmaterials der inneren Sauerstoffpumpelektrode 124, was aus dem Stand der Technik grundsätzlich bekannt ist, ist ebenfalls eine Einflussnahme durch die Frequenz, Form oder ähnliche Eigenschaften der verwendeten Spannungs- und/oder Stromaufprägung auf die Pumpzelle 120 möglich. Weiterhin tritt, wie aus dem Stand der Technik bekannt, ein Fehler des Gesamt-NO_x-Signals in Abhängigkeit des Verhältnisses aus NO und NO₂ auf. Dieser Fehler ist auf eine nicht-optimale Einstellung der elektrochemischen Eigenschaften der inneren Sauerstoff-Pumpelektrode 124 und der resultierenden Reaktionskinetik zurückzuführen. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird die Möglichkeit eröffnet, die diesbezüglichen Eigenschaften der inneren Sauerstoffpumpelektrode 24 und/oder anderer Elektroden während des Betriebs der Vorrichtung 110 oder des Sensorelements 114 zu optimieren. Neben der Grundfunktion der Pumpzelle 120, das Abpumpen des molekularen Sauerstoffs zu bewerkstelligen, ist weiterhin eine Inaktivität bzw. definierte Aktivität zur NO-Zersetzung und eine vollständige bzw. definierte Umsetzung von NO₂ zu NO zwingend für eine hohe Messgenauigkeit notwendig. Insbesondere die Umsetzung von NO₂ ist abhängig von der aktuellen Sauerstoffkonzentration und dem Verhältnis von NO₂ zu NO. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann beispielsweise, wie oben anhand der 2 und 3 beschrieben, eine ausgeglichene Sauerstoffkonzentration direkt im Bereich der Dreiphasengrenze eingestellt werden und dadurch der Einfluss der Gesamtsauerstoffkonzentration auf die NO₂-Umsetzung verringert werden. Weiterhin kann durch die zusätzliche Aufprägung des Wechselsignals 160 oder die dynamische Einprägung (Spannung und/oder Strom) das elektrochemische Potenzial an der für die Reaktion relevanten Elektrodenoberfläche der Pumpzelle 120 gezielt verändert werden. Diese gezielte Veränderung wirkt sich ebenfalls auf die Reaktionskinetik bezüglich des NO₂/NO-Verhältnisses direkt in Elektrodennähe aus. Somit kann bei unterschiedlichen NO₂/NO-Verhältnissen im Gas, beispielsweise im Abgas, durch das erfindungsgemäße Verfahren eine geeignete Zusammensetzung im kritischen Bereich der Elektrodenoberfläche ausgeglichen werden. Es kann somit gezielt ein Einfluss auf die NO₂-Querempfindlichkeit genommen werden.
Weiterhin kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Einfluss auf eine Materialzusammensetzung der Elektrodenoberfläche der inneren Sauerstoffpumpelektrode 124 genommen werden. Für die Eigenschaften einer Elektrode, insbesondere eine Pumpfähigkeit und Selektivität, sind insbesondere deren katalytische Eigenschaften relevant. Diese werden im Wesentlichen durch die Materialzusammensetzung in den obersten Atomlagen bestimmt. Durch die Anwendung der oben dargestellten dynamischen Verfahren ist ein gezielter Einfluss auf die Eigenschaften der Sauerstoffpumpelektrode 124 und deren Veränderungen über die Lebenszeit des Sensorelements 114 möglich.
Weiterhin lässt sich mit dem oben vorgeschlagenen Verfahren auch eine Erweiterung der NO_x-Messfähigkeit in Richtung zu fetten Gasgemischen oder in Richtung zu λ = 1 nehmen. Wie grundsätzlich aus dem Stand der Technik bekannt, ist die NO_x-Messung derzeit nur bei magerem Abgas möglich. Erwartungsgemäß wird bereits im Übergangsbereich nahe λ = 1 bei sehr niedrigen Sauerstoff-Partialdrücken eine unerwünschte, teilweise Umsetzung von Stickstoffmonoxid an katalytisch aktiven Oberflächen, insbesondere an Elektroden, auftreten. Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann Einfluss auf die katalytische Aktivität und die lokale O₂-Konzentration im Bereich der inneren Sauerstoffpumpelektrode 124 genommen werden und so die NO_x-Messfähigkeit in Richtung λ = 1 zumindest ausgedehnt werden. Gegebenenfalls ist sogar eine Ausdehnung des Einsatzbereichs auf λ = 1 und sogar fette Gase möglich.
Insbesondere letztere Möglichkeit kann weiterhin dadurch unterstützt werden, dass die Temperatur des Sensorelements 114 im Bereich der O₂-Entfernung, d. h. im Bereich der Pumpzelle 120 und gegebenenfalls optional im Bereich der vorgelagerten ersten Diffusionsbarriere 128 herabgesetzt wird. Hiermit kann, in Kombination mit Verwendung einer möglichst katalytisch inaktiven Diffusionsbarriere 128, die vorherige Umsetzung von Stickoxiden mit unvollständig verbrannten reduzierenden Gasen (beispielsweise Kohlenwasserstoffen, H₂, Kohlenmonoxid) vermieden oder zumindest verringert werden.
Wie oben beschrieben, kann die Steuerung 116 insbesondere eine Regelung aufweisen. So kann insbesondere die Funktionsweise des überlagerten Wechselsignals 160 und/oder des Basissignals 158 und/oder des Gesamtsignals geregelt angepasst werden, um die oben beschriebenen Wirkungen (beispielsweise die verbesserte Selektivität und/oder die darunterliegende O₂-Entfernung) optimal einzustellen. Dementsprechend kann beispielsweise eine Regelung des überlagerten Wechselsignals 160 oder der Parameter der mehrphasigen dynamischen Betriebsweise und/oder des Basissignals und/oder des Gesamtsignals in Abhängigkeit von einer oder mehreren Regelgrößen erreicht werden. Als Regelgrößen kommen beispielsweise eine oder mehrere der folgenden Größen in Betracht: eine Sauerstoffkonzentration, ein Sauerstoff-Partialdruck, ein Lambda-Wert (beispielsweise ein bekannter Messwert aus einem NO_x-Sensor), eine Temperatur des Sensorelements 114 und/oder eine Temperatur eines anderen Bauteils, beispielsweise ein bekannter Wert aus einer Temperaturregelung des Sensorelements 114, eine NO_x-Konzentration, ein aktuelles Verhältnis von NO₂ zu NO (z. B. aus Systemmodellen oder einem Sensorelement), eine Abgastemperatur, einer weiteren Mess-, Stell- oder Regelgröße des Sensors wie Spannung oder Strom. Grundsätzlich ist auch eine Regelung durch Kombination der genannten Mess-, Stell- oder Regelgröße und/oder anderer Mess-, Stell- oder Regelgröße möglich.
Das oben beschriebene Verfahren und die oben beschriebene Vorrichtung 110 lassen sich insbesondere im Rahmen einer On-Board-Diagnose einsetzen, insbesondere in Kraftfahrzeugen. Insbesondere kann ein Einsatz für die Funktionsüberprüfung und die Adaption eines auf einer selektiven katalytischen Reduktion basierenden Katalysators erfolgen. Des Weiteren können einige oder mehrere der oben dargestellten Verfahren grundsätzlich auch auf andere Arten von Sensorelementen 114 übertragen werden, beispielsweise auf Lambdasonden, beispielsweise mehrzellige Breitband-Lambasonden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0769693 A1 [0002, 0003, 0018, 0025]
WO 2010/003826 A1 [0002]
WO 2010/003826 [0018]
DE 102008040314 A1 [0018]

Claims

Verfahren zur Bestimmung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum (112), insbesondere zur Erfassung einer Gaskomponente, wobei ein Sensorelement (114) mit mindestens einer Nachweiszelle (122) zur Erfassung der Eigenschaft verwendet wird, wobei der Nachweiszelle (122) mindestens eine Pumpzelle (120) zum Entfernen mindestens einer Störkomponente vorgeschaltet wird, wobei Gas aus dem Messgasraum (112) zunächst die Pumpzelle (120) passiert und anschließend zu der Nachweiszelle (122) gelangt, wobei die Pumpzelle (120) derart betrieben wird, dass die Störkomponente zumindest teilweise aus dem Gas abgepumpt wird, bevor dieses die Nachweiszelle (122) erreicht, wobei die Pumpzelle (120) mit mindestens einem Basissignal (158) und mindestens einem dem Basissignal (158) überlagerten Wechselsignal (160) betrieben wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Verfahren zur Bestimmung mindestens einer Nicht-Sauerstoffkomponente des Gases eingesetzt wird, wobei die Nicht-Sauerstoffkomponente eine Sauerstoff-Verbindung ist, insbesondere ein Stickoxid, wobei die Störkomponente molekularer Sauerstoff ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Wechselsignal (160) eine Frequenz von 0,1 Hz bis 10 MHz, insbesondere 100 Hz bis 1 MHz, besonders bevorzugt 1 kHz bis 100 kHz, aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Wechselsignal (160) eine Amplitude von 0 bis 3 V, vorzugsweise von 1 mV bis 1,5 V und besonders bevorzugt von 10 mV bis 1 V aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Wechselsignal (160) ausgewählt ist aus: einem Sinussignal; einem Rechtecksignal; einem Dreiecksignal; einem Sägezahnsignal; einem Signal mit einer Abfolge von Pulsen; einer Kombination aus mehreren dieser Signale gleicher und/oder unterschiedlicher Art.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Wechselsignal (160) mindestens zwei Phasen aufweist, wobei mindestens eine aktive Phase (162) vorgesehen ist, wobei die Pumpzelle (120) in der aktiven Phase (162) mit einer Spannung und/oder einem Strom beaufschlagt wird und wobei mindestens eine passive Phase (164) vorgesehen ist, wobei in der passiven Phase (164) eine passive Beschaltung der Pumpzelle (120) und/oder ein Leerlauf der Pumpzelle (120) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Beaufschlagung der Pumpzelle (120) mit dem Wechselsignal (160) geregelt erfolgt.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei eine Regelung auf mindestens eine Regelgröße erfolgt, wobei die Regelgröße ausgewählt ist aus: einer Sauerstoffkonzentration; einem Sauerstoff-Partialdruck; einer Luftzahl; einer Temperatur; einer Konzentration einer Nicht-Sauerstoff-Gaskomponente, insbesondere einer Stickoxid-Konzentration; einem aktuellen Verhältnis zweier Gaskomponenten, insbesondere zweier Nicht-Sauerstoff-Gaskomponenten, insbesondere einem aktuellen Verhältnis von NO₂ zu NO; einer Temperatur des Gases; einer weiteren Mess-, Stell- oder Regelgröße des Sensorelements (114) wie Spannung oder Strom.
Verfahren nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei bei der Regelung eine Stellgröße generiert wird, wobei die Stellgröße mindestens einen Parameter des Wechselsignals und/oder eines Offsets umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Pumpzelle (120) mit einer von einer Temperatur der Nachweiszelle (122) verschiedenen Temperatur betrieben wird.
Vorrichtung zur Bestimmung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum (112), umfassend mindestens ein Sensorelement (114), wobei das Sensorelement (114) mindestens eine Nachweiszelle (122) zur Erfassung der Eigenschaft aufweist, wobei das Sensorelement (114) weiterhin mindestens eine der Nachweiszelle (122) vorgeschaltete Pumpzelle (120) zur Entfernung mindestens einer Störkomponente aufweist, wobei das Sensorelement (114) derart eingerichtet ist, dass Gas aus dem Messgasraum (112) zunächst die Pumpzelle (120) passiert und anschließend zu der Nachweiszelle (122) gelangt, wobei die Vorrichtung weiterhin mindestens eine Steuerung (116) aufweist, wobei die Steuerung (116) eingerichtet ist, um ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche durchzuführen.