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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung basiert auf einem elektrochemischen Gassensor zur Bestimmung einer Außenluftgüte, wie er beispielsweise aus der
EP2975390 A1 grundsätzlich bekannt ist.
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Derartige Gassensoren weisen beispielsweise wässrige Elektrolyten auf oder Elektrolyten, die aus ionischen Flüssigkeiten bestehen.
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Unter Außenluftgüte wird dabei insbesondere die Konzentration eines gasförmigen Bestandteils der Außenluft verstanden, beispielsweise NO, NO2, 03, SO2, CO, H2S usw..
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Es ist bereits bekannt, dass Schwankungen der Feuchtigkeit der Außenluft, die mit solchen Sensoren erhaltenen Messergebnisse beeinflussen bzw. verfälschen. Es gibt auch bereits empirische Ansätze zur nachträglichen Korrektur der Messergebnisse.
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Vorteile der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung beruht hingegen auf dem Verständnis der physikalischen und chemischen Effekte, die den Beeinflussungen und Verfälschungen zugrundeliegen. So wurden als Ursache der genannten Effekte das Eindiffundieren von Wasser in den Elektrolyten hinein und das Herausdiffundieren von Wasser aus dem Elektrolytgen heraus identifiziert. Es wurde weiter erkannt, dass bei Vorliegen einer Partialdruckdifferenz von Wasser in der Außenluft im Vergleich zur Luft unmittelbar über dem Elektrolyten in Summe an dem Elektrolyten ungleich viel Wasser verdunstet und kondensiert und dass hieraus die Diffusion von Wasser in den in den Elektrolyten hinein oder aus dem Elektrolyten heraus resultiert, die letztlich die Messergebnisse beeinflusst und verfälscht.
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Durch die erfindungsgemäße Maßnahme, dass der Gassensor aktiv temperierbar ist, wird erreicht, dass seine Temperatur derart gewählt werden kann, dass sich direkt oberhalb des wässrigen Elektrolyts der gleiche Partialdruck von Wasser einstellt wie in der Außenluft. Es wird also erreicht, dass weder Wasser in den Elektrolyten eindiffundiert, noch Wasser aus dem Elektrolyten herausdiffundiert. Im Ergebnis sind die Messergebnisse weitgehend nicht mehr verfälscht.
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Es sind insbesondere Mittel vorgesehen, über die der Gassensor aktiv temperierbar ist, beispielsweise ein Heizer und/oder ein Kühler. Es kann sich insofern um ein Peltierelement handeln, das Teil des Gassensors ist oder das mit dem Gassensor wärmeleitend verbunden ist.
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Beispielsweise kann das Peltierelement zwischen der elektrochemischen Zelle und einem Kühlkörper angeordnet sein. Alternativ oder zusätzlich kann die elektrochemische Zelle von einem Block, zum Beispiel von einem Aluminiumblock aufgenommen sein und das Peltierelement kann zwischen der elektrochemischen Zelle und dem Block angeordnet sein. Weiterhin kann ein Wärmeausgleich zwischen dem Gassensor und/oder dem Kühlkörper und der Umgebung durch einen Lüfter intensiviert sein.
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Es kann insbesondere ein Temperatursensor zur Messung der Temperatur der Außenluft vorgesehen sein, der z.B. separat von dem Gassensor in dessen Nähe angeordnet ist. Es kann insbesondere ein weiterer Temperatursensor vorgesehen sein, der als Teil des Gassensors in diesen integriert sein kann und die Temperatur des Sensors bzw. des Elektrolyts misst.
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Es kann insbesondere ein Feuchtesensor zur Messung der Feuchte der Außenluft vorgesehen sein, der entweder separat von dem Gassensor in dessen Nähe angeordnet ist oder der insbesondere als Teil des Gassensors in diesen integriert sein kann.
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Die aktive Temperierung des Gassensors kann insbesondere mittels eines Reglers erfolgen, der insbesondere bestrebt ist, die Differenz der Ist-Temperatur des Gassensors von einer Soll-Temperatur zu minimieren. Hierzu ist insbesondere vorgesehen, dass dem Regler die Ist-Temperatur des Gassensors von einem entsprechenden Temperatursensor des Gassensors zur Verfügung gestellt wird.
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Hierzu ist insbesondere vorgesehen, dass dem Regler die Soll-Temperatur des Gassensors von einem Rechner zur Verfügung gestellt wird, der die Solltemperatur aus der Temperatur und aus der Feuchtigkeit der Außenluft berechnet und zwar insbesondere derart, dass der Sollwert der Temperatur des Gassensors so gewählt wird, dass sich direkt oberhalb des wässrigen Elektrolyts der gleiche Partialdruck von Wasser einstellt wie in der Außenluft.
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Sobald der Gassensor auf die Solltemperatur temperiert ist, ist die Rate des Wassers, das aus der Außenluft in den Elektrolyt kondensiert, gleich der Rate des Wassers, das aus dem Elektrolyt verdunstet. Die Menge des in dem Elektrolyten vorhandenen Wassers ändert sich dann also nicht, woraus der zusätzliche Vorteil resultiert, dass der Gassensor lange Zeit ohne Alterungserscheinungen betrieben werden kann.
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Figurenliste
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- 1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Gassensors,
- 2 zeigt schematisch die elektrochemische Zelle des Gassensors aus 1,
- 3 zeigt ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens,
- 4 zeigt exemplarisch Messergebnisse mit und ohne die erfindungsgemäße Temperierung.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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Die 1 und 2 zeigen schematisch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Gassensors 10. Der Gassensor 10 umfasst eine elektrochemische Zelle 11, die ihrerseits aus einer porösen Membran 111, einem wässrigen Elektrolyten 112, zum Beispiel Schwefelsäure, und aus mit diesem in Kontakt stehenden Elektroden besteht. Eine dieser Elektroden, die Arbeitselektrode 113, steht über die poröse Membran 111 mit der Außenluft 100 in Verbindung.
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Die elektrochemische Zelle 111 ist im Beispiel in einem Gehäuse 12 aufgenommen welches wiederum in einem Aluminiumblock 13 angeordnet und auf einer Platine 14 fixiert ist. Unmittelbar oberhalb der Platine 14 ist ein Peltierelement 15 thermisch angebunden. Die der elektrochemischen Zelle 11 gegenüberliegende Seite des Peltierelements 15 kann mit dem Kühlkörper 16 und dem Lüfter 17 ihrerseits thermisch beeinflusst werden.
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Ein Temperatursensor 30 zur Bestimmung der Temperatur der Umgebungsluft und ein Feuchtesensor 31 zur Bestimmung der Feuchte der Umgebungsluft sind mit einer Auswerte- und Steuereinheit 20 verbunden, die auch das Peltierelement 15 ansteuert. Die Auswerte- und Steuereinheit 20 dient auch der Auswertung und der Steuerung der Messungen der Konzentration eines oder mehrerer Bestandteile der Außenluft, beispielweise durch Erfassung von elektrischen Strömen, die durch die Arbeitselektrode 113 fließen oder durch die Erfassung von elektrischen Potenzialen, die sich an der Arbeitselektrode 113 ausbilden. Es ist auch möglich, elektrische Ströme in Abhängigkeit von Potenzialdifferenzen zwischen der Arbeitselektrode 113 und einer Referenzelektrode des Gassensors 10 zu stellen.
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Die Auswerte und Steuereinheit 20 umfasst unter anderem einen Rechner 26 zur Bestimmung eines Sollwerts der Temperatur der elektrochemischen Zelle auf Basis des Signals des Temperatursensors 30 und auf Basis des Signals des Feuchtesensors 31.
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Die Auswerte und Steuereinheit 20 umfasst ferner unter anderem einen Regler 25 zur Regelung der Temperatur des Gassensors 10 auf eine Solltemperatur.
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Die 3 gibt in einem Flussdiagramm das erfindungsgemäße Verfahren exemplarisch wieder. Demgemäß wird mit dem in den 1 und 2 gezeigten Sensor in einem ersten Verfahrensschritt S1 die Temperatur der Außenluft 100 gemessen, indem ein entsprechendes Signal des Temperatursensors 30 von der Auswerte und Steuereinheit 20 erfasst wird. Beispielsweise nachfolgend wird in einem zweiten Verfahrensschritt S2 die Feuchte der Außenluft 100 gemessen, indem ein entsprechendes Signal des Feuchtesensors 31 von der Auswerte und Steuereinheit 20 erfasst wird.
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In einem anschließenden dritten Verfahrensschritt S3 berechnet der Rechner 25 der Auswerte- und Steuereinheit 20 aus der zuvor gemessenen Temperatur der Außenluft 100 und der zuvor gemessenen Feuchte der Außenluft 100 einen Sollwert der Temperatur des Gassensors 10. Die Berechnung erfolgt im Beispiel so, dass sich bei dieser Solltemperatur des Gassensors 10 direkt oberhalb des wässrigen Elektrolyts 112 der gleiche Partialdruck von Wasser einstellt wie in der Außenluft 100.
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Der Partialdruck von Wasser direkt oberhalb des wässrigen Elektrolyts
112 kann zum Beispiel näherungsweise gemäß der Formel
berechnet werden, wobei x der Anteil von Wasser in dem flüssigen Elektrolyten ist und 3 die Temperatur des Elektrolyten ist.
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Der Partialdruck von Wasser in der Außenluft
100 kann beispielsweise gemäß der Formel
berechnet werden, wobei aH absolute Luftfeuchte, T die Lufttemperatur in K und R
H2O die spezifische Gaskonstante von Wasserdampf ist.
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Durch Gleichsetzten der beiden Partialdrücke und Umstellen nach 9 ergibt sich die Solltemperatur, für eine bestimmte Elektrolytzusammensetzung x, Lufttemperatur T und absolute Luftfeuchte aH.
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Ebenfalls noch im dritten Verfahrensschritt S3 wird der Sollwert der Temperatur des Gassensors 10 an den Regler 25 übergeben.
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Im vierten Verfahrensschritt S1 regelt der Regler die Temperatur des Gassensors, beispielsweise, indem er die Temperatur des Gassensors aus einem entsprechenden Temperatursensor 32 des Gassensors 10 erfasst und mit dem Sollwert vergleicht und daraufhin das Peltierelement 15 anhand eines geeigneten Regelalgorithmus derart ansteuert, dass sich die Differenz der Ist-Temperatur des Gassensors 10 von der Soll-Temperatur möglichst rasch und nachhaltig minimiert.
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Im fünften Verfahrensschritt S5 erfolgt eine Bestimmung der Außenluftgüte, beispielsweise, indem Stromflüsse durch die Arbeitselektrode 113 oder Potenziale an der Arbeitselektrode 113 von der Auswerte- und Steuereinheit 20 erfasst werden.
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Das Verfahren kann dann dauerhaft zyklisch fortgesetzt werden, indem immer nach dem fünften Verfahrensschritt S5 zurück zum ersten Verfahrensschritt S1 gegangen wird.
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4 illustriert beispielhaft die Wirksamkeit des Verfahrens. Ein beispielhafter Gassensor 10, der ein Ausgangssignal generiert, das idealerweise proportional zum NO2-Gehalt der Außenluft 100 ist, wurde einer Atmosphäre ausgesetzt, die weitgehend frei von NO2 war.
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Die Temperatur der Außenluft 100 wurde mit einer Periodendauer von 24h zwischen 20°C und 30°C variiert (dünne durchgezogenen Linie und rechte Hochachse in 4); mit der gleichen Periodizität wurde die relative Luftfeuchtigkeit der Außenluft zwischen 78% und 30% variiert (dünne gepunktete Linie und ganz rechte Hochachse in 4).
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Zu Vergleichszwecken wurde ein erfindungsgemäßer Gassensor 10, allerdings mit deaktivierter Temperaturregelung, dieser Außenluft 100 ausgesetzt. Die fette gepunktete Linie gibt zusammen mit der linken Hochachse in 4 das von diesem Gassensor erzeugte Ausgangssignal wieder: Es schwankt mit der Periodizität der Schwankungen der Umgebungsbedingungen zwischen 10mV und -30mV, was angesichts der angestrebten Messgenauigkeit des Gassensors 10 eine relativ große Schwankung darstellt.
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Bei aktivierter Temperaturregelung sind die Schwankungen des Ausgangssignals des Gassensors 10, die in der 4 durch die fette durchgezogenen Linie mit der linken Hochachse wiedergegeben werden, viel kleiner als zuvor, sie betragen lediglich wenige mV, was angesichts der angestrebten Messgenauigkeit des Gassensors 10 in diesem Beispiel tolerierbar ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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