DE10221392A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Messung einer Gas-Konzentration - Google Patents

Abstract

Es wird eine Vorrichtung sowie ein Verfahren beschrieben zum Messen einer Gas-Konzentration in einem Messgas mittels eines Messaufnehmers, der aufweist, eine Außenelektrode (6), die mit einem Festkörperelektrolyten (2) verbunden und dem Messgas ausgesetzt ist, und eine mit dem Festkörperelektrolyten (2) verbundene Elektrode (9), zwischen denen mittels eines durch den Festkörperelektrolyten (2) fließenden Pumpstromes (Ip2) Sauerstoff pumpbar ist, wobei der Pumpstrom (Ip2) zwischen Elektrode (9) und Außenelektrode (16) getrieben wird, wobei vorgesehen ist, dass als Pumpstrom periodisch eine Pulsfolge mit mehreren Einzelpulsen (15, 16, 17) mit einer Pulsbreite (W) verwendet wird, wobei die Pulsbreite (W) zur Einstellung eines Pegels des Pumpstromes (Ip2) eingestellt wird.

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Messung einer Gas-Konzentration in einem Messgas, mit einer Außenelektrode, die mit einem Festkörperelektrolyten verbunden und dem Messgas ausgesetzt ist, und einer mit dem Festkörperelektrolyten verbundenen Elektrode, zwischen denen mittels eines durch den Festkörperelektrolyten fließenden Pumpstromes Sauerstoff pumpbar ist, wobei zwischen Elektrode und Außenelektrode eine den Pumpstrom treibende Pumpstromeinheit geschaltet ist.
• Die Erfindung bezieht sich weiter auf ein Verfahren zum Messen einer Gas-Konzentration in einem Messgas mittels eines Messaufnehmers, der aufweist, eine Außenelektrode, die mit einem Festkörperelektrolyten verbunden und dem Messgas ausgesetzt ist, und eine mit dem Festkörperelektrolyten verbundene Elektrode, zwischen denen mittels eines durch den Festkörperelektrolyten fließenden Pumpstromes Sauerstoff pumpbar ist, wobei der Pumpstrom zwischen Elektrode und Außenelektrode getrieben wird.
• Zur Messung der NOx-Konzentration in einem Messgas, z. B. dem Abgas einer Brennkraftmaschine, ist es bekannt, einen Dickschichtmessaufnehmer zu verwenden. Ein solcher Messaufnehmer ist beispielsweise in der DE 199 07 947 A1 beschrieben. Dieser Messaufnehmer weist zwei Messzellen in einem Körper aus sauerstoffionenleitendem Zirkoniumoxid auf. Er verwirklicht folgendes Messkonzept: in einer ersten Messzelle, der das Messgas über eine Diffusionsbarriere zugeführt wird, wird mittels eines ersten Sauerstoffionen-Pumpstroms eine erste Sauerstoffkonzentration eingestellt, wobei keine Zersetzung von NOx stattfinden soll. In einer zweiten Messzelle, die mit der ersten über eine weitere Diffusionsbarriere verbunden ist, wird der Sauerstoffgehalt mittels eines zweiten Sauerstoffionen-Pumpstroms weiter abgesenkt. Die Zersetzung von NOx an einer in der zweiten Messzelle befindlichen Messelektrode führt zu einem dritten Sauerstoffionen-Pumpstrom, der ein Maß für die NOx-Konzentration ist. Der gesamte Messaufnehmer wird dabei mittels eines elektrischen Heizers auf eine erhöhte Temperatur, z. B. 750°C, gebracht.
• Zum Einstellen der Sauerstoffionen-Pumpströme wird in den jeweiligen Messzellen eine Nernstspannung abgegriffen, wobei immer Bezug genommen wird auf einen Sauerstoffgehalt, dem eine Referenzelektrode ausgesetzt ist, üblicherweise dem der Umgebungsluft.
• Für die Pumpströme werden Stromquellen eingesetzt, die in einer Regelung die Sauerstoffkonzentration auf einen Zielwert bringen. Die Güte der Stromquellen ist damit für die erreichbare Messgenauigkeit und -nachweisgrenze wichtig. Dies gilt besonders für die Stromquelle, die zwischen Messelektrode und Außenelektrode geschaltet ist.
• Das Erfordernis, den Pumpstrom genau einzustellen, bringt erhebliche Anforderungen an den Temperaturgang der den jeweiligen Pumpstrom treibenden Schaltung, also der Pumpstromquelle, mit sich. Dasselbe gilt hinsichtlich störender Leckströme, die sich ebenfalls negativ auf die Konstanz und die Genauigkeit des Pumpstromes, der die Sauerstoffkonzentration einstellt, auswirken. Letzterer Nachteil hat insbesondere bei kleinen Pumpströmen Bedeutung, wie sie von der Messelektrode zur Außenelektrode auftreten.
• Die Anforderungen an Temperaturkonstantheit und geringes Leckstromniveau könnten zwar durch Verwendung eines pulsweitenmodulierten Pumpstroms gemindert werden, jedoch stellt sich damit an der Elektrode eine gewisse Modulation der Sauerstoffkonzentration ein, was entsprechende Anforderungen an die Unempfindlichkeit der Elektrode gegenüber schwankenden Sauerstoffkonzentrationen bedingt. Dadurch kann die Lebensdauer der Elektrode und damit der Messvorrichtung herabgesetzt sein. Auch wird die Messgenauigkeit gemindert.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die eingangs geschilderte Vorrichtung bzw. das eingangs genannte Verfahren derart fortzubilden, dass die Elektrode geringer belastet wird.
• Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Vorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Pumpstromeinheit periodisch eine Pulsfolge mit mehreren Einzelpulsen mit einer Pulsbreite abgibt, wobei die Pulsbreite zur Einstellung eines Pegels des Pumpstromes veränderbar ist.
• Die Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass als Pumpstrom periodisch eine Pulsfolge mit mehreren Einzelpulsen mit einer Pulsbreite verwendet wird, wobei die Pulsbreite zur Einstellung eines Pegels des Pumpstromes eingestellt wird.
• Die Erfindung beschreitet also einen Mittelweg zwischen einem Gleichstrom und einem rein pulsweitenmodulierten Pumpstrom und verbindet dadurch überraschenderweise die Vorteile dieser beiden Konzepte. Temperaturgang der Schaltung und Leckströme wirken sich im wesentlichen nur während dem relativ kurzzeitig eingeschalteten Pumpstrom aus; außerhalb der Einzelpulse fließt nur ein im Verhältnis dazu vernachlässigbarer Leckstrom. Zugleich ist durch die Pulsfolge die Modulation des Sauerstoffgehaltes an der Elektrode deutlich geringer, als wenn eine pulsweite Modulation mit einem hinsichtlich seiner Breite modulierten Einzelpuls mit fester Pulsfrequenz verwendet würde.
• Dadurch, dass in der Pulsfolge mehrere Einzelpulse vorliegen, kann die Pulshöhe bei Auslegung für gleiche effektive Stromhöhe gering gehalten werden, wodurch die Sauerstoffmodulation klein ist, was sich positiv auf das Alterungsverhalten der Elektrode und die Messgenauigkeit auswirkt. In den Pausen, in denen keine Einzelpulse der Pulsfolge auftreten, kann eine Messung ohne jegliche Beeinflussung durch Pumpstromänderungen durchgeführt werden, insbesondere treten dann keine Beeinträchtigungen durch steigende oder fallende Flanken des Pumpstroms auf. Das gleiche gilt hinsichtlich einer getakteten Heizung.
• Die erfindungsgemäße Pumpstromgestaltung kann für alle Pumpstromquellen des Messaufnehmers verwendet werden. Besondere Vorteile hinsichtlich Messsignalverbesserung ergeben sich bei der Verwendung für die Pumpstromquelle, die einen Sauerstoffionen-Pumpstrom zwischen Außenelektrode und Messelektrode treibt.
• Die Einzelpulse der Pulsfolge werden in ihrer Pulsbreite verändert, wobei alle Einzelpulse einer Pulsfolge dieselbe Pulsbreite aufweisen. Die Pumpstromsteuerung kann dabei besonders einfach ausfallen, wenn die Einzelpulse steigende Flanken mit festem zeitlichen Abstand zueinander aufweisen. Die Zahl der Einzelpulse und der feste zeitliche Abstand bestimmen dann das maximale Tastverhältnis, d. h. den Anteil der Periode, mit der die Pulsfolge wiederholt wird, den die Einzelpulse einnehmen können.
• Die Zahl der Einzelpulse ist applikationsabhängig einstellbar. Zweckmäßig sind Pulsfolgen mit 2 bis 10 Einzelpulsen. Letztlich hängt dies von der Pumpstromquelle ab bzw. der Frequenz, mit der diese angesteuert werden kann.
• Ein besonders günstiges Ansteuerverhältnis für NOx-Aufnehmer erhält man bei einem festen zeitlichen Abstand der steigenden Flanken, der zwischen 1/20 und 1/4 der Periode der Pulsfolge liegt.
• Die Einstellung der Pulsbreite kann mit einem geeigneten Regler erfolgen. Dieser ist besonders einfach ausführbar, wenn ein Mikrocontroller verwendet wird, der die Pumpstromeinheit hinsichtlich der Pulsbreite der Einzelpulse ansteuert.
• Eine besondere Flexibilität der Pumpstromsteuerung erhält man, wenn die Anzahl der Einzelpulse veränderbar ist. Durch Zuschalten bzw. Abschalten zusätzlicher Einzelpulse kann dabei die Modulationsbreite vergrößert bzw. verkleinert werden, so dass dann ein Modulationsgrad bis zu 100% möglich ist. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn in einer Startphase eines Messstromaufnehmers ein deutlich höherer Pumpstrom als während des später folgenden, normalen Betriebes gefordert ist.
• Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung beispielhalber noch näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:
• Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung durch einen NOx-Messaufnehmer mit zugehöriger Beschaltung,
• Fig. 2 eine Zeitreihe des Pumpstromes, der eine periodisch wiederholte Pulsfolge mit Einzelpulsen aufweist, und
• Fig. 3 ein Flussdiagramm eines Betriebsverfahrens für den Messaufnehmer der Fig. 1.
• Fig. 1 zeigt einen schematischen Schnitt durch einen NOx- Messaufnehmer, der die NOx-Konzentration im Abgastrakt einer Brennkraftmaschine erfasst. Dieser aus einem Festkörperelektrolyten, im Beispielfall ZrO₂, gebildete Messaufnehmer 1 nimmt über eine Diffusionsbarriere 3 das zu messende Abgas auf, dessen NOx-Konzentration bestimmt werden soll. Der gesamte Messaufnehmer 1 wird durch einen getaktet bestromten Heizer 13 auf Betriebstemperatur gebracht.
• Das Abgas diffundiert durch die Diffusionsbarriere 3 in eine erste Messzelle 4. Der Sauerstoffgehalt in dieser Messzelle 4 wird durch Abgriff einer ersten Nernstspannung V0 zwischen einer ersten Elektrode 5, die sich in der ersten Messzelle 4 befindet und einer Referenzelektrode 11 gemessen, die in einer Referenzzelle 12 angeordnet ist. Die Referenzzelle 12 ist gegenüber der Umgebungsluft weitgehend abgeschlossen, wobei geeignete Maßnahmen zum Druckausgleich bei wechselndem Umgebungsdruck getroffen sind. Im Ausführungsbeispiel ist dazu eine Druckausgleichsöffnung 14 in Form eines Pinhole vorgesehen.
• Die Nernstspannung V0 ist auf den Sauerstoffgehalt in der Referenzzelle 12 bezogen, in der sich die Referenzelektrode 11 befindet. Die Bedeutung dieses Sachverhalts wird später noch eingehender erläutert.
• Eine erste Schaltkreisanordnung stellt in der ersten Messzelle 4 eine vorbestimmte Sauerstoffkonzentration ein. Dazu wird die erste Nernstspannung V0 von einem Regler abgegriffen, der eine spannungsgesteuerte Stromquelle U0 stellt, welche einen ersten Sauerstoffionenpumpstrom Ip0 durch den Festkörperelektrolyten 2 des Messaufnehmers 1 zwischen der ersten Elektrode 5 und einer Außenelektrode 6 treibt. Dabei wird in der ersten Messzelle 4 eine vorbestimmte Sauerstoffkonzentration eingerichtet, die über die Nernstspannung V0 zwischen der Elektrode 5 und der Referenzelektrode 11 gemessen wird. Die zur Regelung nötige Erfassung des ersten Sauerstoffionen- Pumpstroms Ip0 erfolgt über die bekannte Charakteristik der Pump-Stromquelle U0, aufgrund der der Pumpstrom direkt mit einer Stellspannung verknüpft ist.
• Die zweite Messzelle 8 ist mit der ersten Messzelle 4 über eine weitere Diffusionsbarriere 7 verbunden. Durch diese Diffusionsbarriere 7 diffundiert das in der ersten Messzelle 4 vorhandene Gas in die zweite Messzelle 8.
• In der zweiten Messzelle stellt eine zweite Schaltkreisanordnung eine zweite Sauerstoffkonzentration ein. Dazu wird zwischen einer zweiten Elektrode 9 und der Referenzelektrode 11 eine zweite Nernstspannung V1 abgegriffen und einem Regler zugeführt, der eine zweite spannungsgesteuerte Stromquelle U1 stellt, mit der ein zweiter Sauerstoffionen-Pumpstrom Ip1 aus der zweiten Messzelle 8 heraus getrieben wird, um den Sauerstoffgehalt in der zweiten Messzelle 8 weiter zu reduzieren. Auch hier wird für die Regelung des zweiten Sauerstoffionen- Pumpstromes Ip1 die Charakteristik der Stromquelle U1 ausgenutzt.
• Die zweite Schaltkreisanordnung regelt den zweiten Sauerstoffionen-Pumpstrom Ip1 so, dass sich in der zweiten Messzelle 8 eine vorbestimmte Sauerstoffkonzentration einstellt. Diese ist dabei so groß, dass NOx von den ablaufenden Vorgängen nicht betroffen ist, insbesondere nicht zersetzt wird. Das NOx wird nun in der zweiten Messzelle 8 an einer Messelektrode 10, die katalytisch ausgestaltet sein kann, in einem dritten Sauerstoffionen-Pumpstrom Ip2 von der Messelektrode 10 zur Außenelektrode 6 hin gepumpt. Da der Restsauerstoffgehalt in der Messzelle 8 so weit abgesenkt ist, dass der Sauerstoffionen-Pumpstrom Ip2 im wesentlichen nur von Sauerstoffionen getragen wird, die aus der Zersetzung von NOx an der Messelektrode 10 stammen, ist der Pumpstrom Ip2 ein Maß für die NOx-Konzentration in der Messzelle 8 und somit im zu messenden Abgas. Der dritte Sauerstoffionen-Pumpstrom Ip2 wird ebenfalls von einer spannungsgesteuerten Stromquelle U2 getrieben, die unter Messung einer dritten Nernstspannung V2 geregelt wird. Dabei ist analog zu den bereits erwähnten Pumpströmen ein Regler vorgesehen, welcher die dritte Nernstspannung V2 zwischen der Messelektrode 10 und der Referenzelektrode 11 abgreift.
• Um bei den Messungen der Nernstspannungen ein konstantes Bezugspotential in der Referenzelektrode 11 zur Verfügung zu haben, ist die Referenzzelle 12 gegenüber der Umgebungsluft im wesentlichen abgeschlossen. Weiter wird, unvermeidbarer Diffusionsprozesse wegen, in der Referenzzelle 12 ein gegenüber der Umgebung erhöhter Sauerstoffpartialdruck eingestellt, indem mittels einer vierten gesteuerten Stromquelle U3 ein vierter Sauerstoffionen-Pumpstrom Ip3 von der Außenelektrode zur Referenzelektrode 11 getrieben wird, der Sauerstoff in die Referenzzelle 12 hineinpumpt. Die Stromquelle U3 wird dabei mittels einer Stellspannung VS gesteuert, die von einem Controller C abgegeben wird. Optional ist hier, wie für alle Stromregelungen, auch eine analoge Schaltung möglich.
• Die Pumpströme werden dabei nach folgendem, in Fig. 2 dargestelltem Schema eingestellt, in dem beispielshalber auf den dritten Pumpstrom Ip2 Bezug genommen wird.
• In Fig. 2 ist eine Zeitreihe des Pumpstromes I dargestellt. Wie zu sehen ist, wird eine Pulsfolge mit einer Periode T wiederholt. Die Pulsfolge besteht aus drei Einzelpulsen, einem ersten Einzelpuls 15, einem mittleren Einzelpuls 16 und einem letzten Einzelpuls 17, die alle dieselbe Pulsbreite W und dieselbe Pulshöhe H aufweisen.
• Während die Pulshöhe H festbleibt, wird die Pulsbreite W zur Einstellung des Pegels des Pumpstromes Ip2 verändert. Dabei haben eine steigende Flanke 18 des ersten Einzelpulses 15, eine steigende Flanke 20 des mittleren Einzelpulses 16 und eine steigende Flanke 22 des letzten Einzelpulses 17 einen festen zeitlichen Abstand zueinander. Die Veränderung der Breite W erfolgt dadurch, dass eine fallende Flanke 19 des ersten Einzelpulses 15, eine fallende Flanke 21 des mittleren Einzelpulses 16 sowie eine fallende Flanke 23 des letzten Einzelpulses 17 gegenüber den jeweiligen steigenden Flanken 18, 20, 22 zeitlich verändert werden. Eine Verzögerung bewirkt eine Vergrößerung der Pulsbreite W, eine Voreilung eine Verkürzung.
• Die in Fig. 2 gezeigte Pulsfolge wird nach Ablauf der Periode T wiederholt, wobei die Regelung dann eine Veränderung der Pulsbreite W mit sich bringen kann.
• Der feste zeitliche Abstand zwischen den steigenden Flanken 18, 20 und 22 hat bei der in Fig. 2 dargestellten Pulsfolge mit drei Einzelpulsen 15, 16 und 17 zur Folge, dass der Modulationsgrad, d. h. der Anteil der Periode T, in dem der Pumpstrom den Pegel H hat, deutlich unter 100% bleibt. Um ihn zu erhöhen ist es möglich, kurzzeitig zusätzliche Einzelpulse zuzuschalten.
• Diese Erhöhung des Modulationsgrades wird in Startphasen des Messaufnehmers nach folgendem in Fig. 3 gezeigten Verfahren durchgeführt, um eine beschleunigte In-Betrieb-Setzung zu erreichen:
  Nach einem Schritt S0, in dem das Verfahren gestartet wird, werden zuerst in einem Schritt S1 bei der Modulation die Einzelpulse auf eine möglichst große Breite W gestellt. Die große Breite W bewirkt einen hohen mittleren Strompegel Ig, der so gewählt ist, dass er noch keine Zerstörung oder übermäßige Degradation der ihn führenden Außenelektrode 6, des Festkörperelektrolyten 2 sowie der Messelektrode 9 zur Folge hat. Er ist jedoch so groß, dass die durch Übergangswiderstände verursachte Spannung keine ausreichend fehlerunbehaftete Messung der entsprechenden Nernstspannung erlauben würde. Deshalb wird in dieser Startphase, in der der dritte Pumpstrom Ip2 von der Außenelektrode 6 zur Messelektrode 9 Sauerstoff transportiert, kein weiterer Messbetrieb des Messaufnehmers 1 vorgenommen. In einem Schritt S2 wird die Zeitdauer seit Einschalten des Pumpstromes Ip2 mit der großen Pulsbreite W erfasst.
• Erst wenn in einem Schritt S3 festgestellt wird, dass der hohe mittlere Strompegel Ig eine gewisse Zeit T1 floss, wird mit Schritt S4 fortgefahren, ansonsten wird vor den Zeitmessschritt S2 zurückgesprungen.
• Im Schritt S4 wird durch Verkürzen der Breite W der Pumpstrom Ip2 von der Außenelektrode 6 zur Messelektrode 9 auf einen deutlich geringeren mittleren Strompegel Ik reduziert. Der geringe mittlere Strompegel Ik ist so gewählt, dass der Sauerstoffionen-Pumpstrom Ip2 dann für die Messung geeignet ist. Der geringe mittlere Strompegel Ik verfälscht die Erfassung der Nernstspannungen nunmehr nicht in unzulässigem Maß, so dass der Messbetrieb durchgeführt wird, bis in einem Schritt S5 der Betrieb des Messaufnehmers 1 beendet wird.

Claims (11)

1. Vorrichtung zur Messung einer Gas-Konzentration in einem Messgas, mit

- einer Außenelektrode (6), die mit einem Festkörperelektrolyten (2) verbunden und dem Messgas ausgesetzt ist, und einer mit dem Festkörperelektrolyten (2) verbundenen Elektrode (9), zwischen denen mittels eines durch den Festkörperelektrolyten (2) fließenden Pumpstromes (Ip2) Sauerstoff pumpbar ist,

- wobei zwischen Elektrode (9) und Außenelektrode (6) eine den Pumpstrom (Ip2) treibende Pumpstromeinheit (U2) geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpstromeinheit (U2) periodisch eine Pulsfolge mit mehreren Einzelpulsen (15, 16, 17) mit einer Pulsbreite (W) abgibt, wobei die Pulsbreite (W) zur Einstellung eines Pegels des Pumpstromes (Ip2) veränderbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelpulse (15, 16, 17) steigende Flanken (18, 20, 22) mit festem zeitlichen Abstand zueinander aufweisen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen 1/20 und 1/4 der Periode der Pulsfolge liegt.

4. Vorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsfolge zwischen 2 und 10 Einzelpulse aufweist.

5. Vorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Mikrocontroller (C), der die Pumpstromeinheit (U2) hinsichtlich der Pulsbreite (W) der Einzelpulse (15, 16, 17) ansteuert.

6. Vorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl an Einzelpulsen (15, 16, 17) veränderbar ist.

7. Verfahren zum Messen einer Gas-Konzentration in einem Messgas mittels eines Messaufnehmers, der aufweist,

- eine Außenelektrode (6), die mit einem Festkörperelektrolyten (2) verbunden und dem Messgas ausgesetzt ist, und eine mit dem Festkörperelektrolyten (2) verbundene Elektrode (9), zwischen denen mittels eines durch den Festkörperelektrolyten (2) fließenden Pumpstromes (Ip2) Sauerstoff pumpbar ist,

- wobei der Pumpstrom (Ip2) zwischen Referenzelektrode (11) und Elektrode (16) getrieben wird, dadurch gekennzeichnet, daß als Pumpstrom periodisch eine Pulsfolge mit mehreren Einzelpulsen (15, 16, 17) mit einer Pulsbreite (W) verwendet wird, wobei die Pulsbreite zur Einstellung eines Pegels des Pumpstromes (Ip2) eingestellt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelpulse (15, 16, 17) steigende Flanken (28, 22) mit festem zeitlichen Abstand zueinander aufweisen.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen 1/20 und 1/4 der Periode der Pulsfolge liegt.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsfolge zwischen 2 und 10 Einzelpulse aufweist.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl an Einzelpulsen (15, 16, 17) veränderbar ist.