DE19781050B4

DE19781050B4 - Diagnoseverfahren und -vorrichtung für Trockenelektrolyt-Gasanalysator

Info

Publication number: DE19781050B4
Application number: DE19781050T
Authority: DE
Inventors: Boris Y. Solon Farber; Michael G. Wooster O'Neill; Michael T. Wadsworth Estvander; James W. Akron Thomson
Original assignee: Rosemount Analytical Inc
Current assignee: Rosemount Inc
Priority date: 1996-09-24
Filing date: 1997-09-10
Publication date: 2005-11-17
Anticipated expiration: 2017-09-11
Also published as: JP2000503397A; US5980728A; DE19781050T1; WO1998013688A1; GB2321525B; GB2321525A; GB9810141D0

Abstract

Analysatorschaltung für einen Gasanalysator mit einer Trockenelektrolytzelle und einer in der Nähe der Zelle angeordneten Heizvorrichtung, wobei die Zelle ein Zellenausgangssignal als Funktion eines betrachteten Gases erzeugt und die Analysatorschaltung ein Analysatorausgangssignal als Funktion des Zellenausgangssignals erzeugt und aufweist:
eine mit der Heizvorrichtung verbundene Heizschaltung zum Heizen der Zelle als Antwort auf ein Steuersignal;
eine temperaturempfindliche Einrichtung, die operabel mit der Zelle verbunden ist, und ausgebildet ist, um ein Ausgangssignal der temperaturempfindlichen Einrichtung in Abhängigkeit von der Temperatur der Zelle bereitzustellen;
eine mit der Zelle verbundene Meßschaltung mit einer Diagnoseschaltung zum Messen der Zellimpedanz und zum Bereitstellen eines Diagnoseausgangssignals, das den Degradationszustand der Zelle anzeigt, während die Zelle dem betrachteten Gas ausgesetzt ist;
eine mit der Diagnoseschaltung verbundene Steuerung, die ausgebildet ist, um intermittierend die Diagnoseschaltung zu aktivieren, das Ausgangssignal der temperaturempfindlichen Einrichtung zu empfangen und das Steuersignal an die Heizschaltung bereitzustellen, um die Zelle bei...

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein den Bereich des Gebiets Meßverfahren und -geräte zur Gasanalyse, bei denen Fest- oder Trockenelektrolytzellen oder EMK-Sonden zum Messen von Gasarten verwendet werden. Die Erfindung betrifft insbesondere ein neuartiges Diagnoseverfahren bzw. eine neuartige Diagnosevorrichtung zur Verwendung mit einer erwärmten Trockenelektrolytzelle bzw. EMK-Sonde zum Erfassen des Zustands der Zelle bzw. Sonde. Der hierin verwendete Ausdruck Trockenelektrolytzelle oder EMK-Sonde bezeichnet eine Menge eines Trockenelektrolyts, z.B. Zirkonoxid-Yttriumoxid bzw. Zirkonerde-Yttererde ((ZrO₂)_(1–x)(Y₂O₃)_x), und damit verbundene poröse elektrische Kontakte oder Elektroden, die üblicherweise aus Platin oder einem anderen geeigneten Material hergestellt sind.
Gasanalysatoren mit einem Prüfkopf mit einer Trockenelektrolytzelle oder EMK-Sonde zum Messen von Sauerstoffgas sind bekannt (vergl. z.B. US-Patent Nr. 3400054 und 3928161). Ein anderes Beispiel ist das Modell World Class 3000 Oxygen Analyzer, das von Rosemount Analytical Inc., Orrville, Ohio, verkauft wird und unter der Artikelnummer 4847B61G01/02/03 mit Ersatzzellen oder -sonden erhältlich ist. Eine allgemeine Anwendung für solche Analysatoren ist die Messung von Sauerstoffgas in einem Rauchzug oder Flammrohr oder in einer Rohrleitung, wie beispielsweise in einem Schornstein. Bei einer vorgegebenen erhöhten Temperatur erzeugt die Trockenelektrolytzelle bzw. EMK-Sonde eine elektromotorische Kraft (EMK) V_cell als Funktion der Konzentration von Sauerstoff (oder einer anderen Gasart), dem die Zelle bzw. Sonde ausgesetzt ist. V_cell kann näherungsweise durch die Nernst-Gleichung dargestellt werden: Vcell = C + S·log{P(O2)/P(O2)REF}. (Gl. 1)wobei C eine Zellen- bzw. Sondenkonstante, S eine Zellen- bzw. Sondensteigung, die eine Funktion der Zellen- bzw. Sondentemperatur T ist, und P(O₂) und P(O₂)_REF den Sauerstoff-Partialdruck an einem Meßende bzw. an einem Referenzende der Trockenelektrolytzelle bzw. EMK-Sonde darstellen. Für reale Trockenelektrolytzellen bzw. EMK-Sonden weichen die Werte von Gleichung 1 etwas ab.
Außerdem ist bekannt, daß Trockenelektrolytanalysatoren eine analoge oder digitale elektronische Schaltung in einem Gehäuse aufweisen, das vom Meßfühler oder Prüfkopf getrennt ist und durch die der Wert V_cell gemessen und ein die Gasartkonzentration darstellendes Analysatorausgangssignal erzeugt wird. Der Prüfkopf weist eine Heizvorrichtung und ein Thermoelement auf, die durch die Schaltung im getrennten Gehäuse gesteuert werden, um die Trockenelektrolytzelle bzw. EMK- Sonde bei einer konstanten hohen Temperatur (z.B. T ≈ 750°C) zu halten.
Außerdem ist bekannt, ein Druckgas- oder Gasrohr in einem Gasanalysator-Prüfkopf bereitzustellen, um einer Referenzseite der Zelle bzw. Sonde ein Referenzgas mit einem bekannten Sauerstoffgehalt P(O₂)_REF zuzuführen, und ein anderes Druckgas- oder Gasrohr bereitzustellen, über das einer Meßseite der Zelle bzw. Sonde gegebenenfalls ein Kalibrierungsgas mit einem Sauerstoffgehalt P(O₂)_CAL zugeführt werden kann. Normalerweise ist das Druckgas- oder Gasrohr, über das das Kalibrierungsgas zugeführt wird, geschlossen und steht die Meßseite der Sonde mit dem betrachteten Gas, dessen Sauerstoffgehalt gemessen werden soll, in Kontakt.
Außerdem ist bekannt, daß die Leistung von Trockenelektrolytzellen bzw. EMK-Sonden über ihre Lebensdauer abnimmt, weil ihr Zellen- bzw. Sondenwiderstand zu- und der Wert V_cell abninmmt.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine vor-Ort- oder in-situ-Anzeige des Zustands der Trockenelektrolytzelle bzw. EMK-Sonde bereitzustellen, ohne daß dem Analysator ein bestimmtes Kalibrierungsgas zugeführt oder die Operation des Analysators sonstwie unterbrochen werden muß. Zellen- bzw. Sondenzustandinformationen können Informationen über die Restzeit bis zu einer Kalibrierung sein, eine Anzeige darüber, daß die Trockenelektrolytzelle bzw. EMK-Sonde außerhalb des Kalibrierungsbereichs arbeitet, eine Anzeige über die Restzeit bis zum Auswechseln und eine Anzeige darüber, daß die Trockenelektrolytzelle bzw. EMK-Sonde ausgewechselt werden sollte.
Die Erfindung wird anhand der nachstehenden ausführlichen Beschreibung der Erfindung und der beigefügten Zeichnungen verdeutlicht.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Durch die Erfindung wird eine Anzeige des Zustands einer Trockenelektrolytzelle bzw. EMK-Sonde in einem Gasanalysator bereitgestellt, wobei in der Nähe der Zelle bzw. Sonde eine Heizvorrichtung angeordnet ist. Durch die Zelle bzw. Sonde wird ein Zellen- bzw. Sondenausgangssignal als Funktion eines betrachteten bzw. zu messenden Gases erzeugt. Eine Analysatorschaltung erzeugt ein Analysatorausgangssignal als Funktion des Zellen- bzw. Sondenausgangssignals und weist eine Heizschaltung und eine Meßschaltung auf. Die Heizschaltung ist mit der Heizvorrichtung verbunden, um die Zelle bzw. Sonde bei einer erhöhten Temperatur zu halten. Die Meßschaltung ist mit der Zelle bzw. Sonde verbunden und weist eine Diagnoseschaltung auf, um eine Kenngröße der Zelle bzw. Sonde zu messen, während die Zelle bzw. Sonde einem betrachteten Gas ausgesetzt ist. Die Zellen- bzw. Sondenkenngröße zeigt den Zellen- bzw. Sondenzustand an und ist vorzugsweise eine Impedanz der Zelle bzw. Sonde, die bei einer vorgegebenen Frequenz gemessen wird, indem ein bekannter modulierter Strom durch die Zelle bzw. Sonde geleitet bzw. injiziert und die erhaltene Spannungsänderung gemessen wird. Der Zellen- bzw. Sondenzustand kann eine bis zur nächsten empfohlenen Kalibrierung verbleibende Zeitdauer sein, eine bis zum nächsten empfohlenen Zellen- bzw. Sondenaustausch verbleibende Zeitdauer, und eine Anzeige, daß die Zelle bzw. Sonde kalibriert oder ausgetauscht werden sollte. Nicht-negative Werte sowohl für die Restzeit bis zu einer Kalibrierung als auch für die Restzeit bis zu einem Austausch bedeuten, daß das Analysatorausgangssignal wahrscheinlich innerhalb vorgegebener Toleranzwerte liegt. Durch negative Werte für beide Restzeiten wird veranlaßt, daß eine Anzeige aktiviert wird, die darstellt, daß eine Kalibrierung erforderlich ist oder daß die Zelle bzw. Sonde ausgetauscht werden sollte.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt ein schematisches Blockdiagramm einer bevorzugten Analysatorschaltung;
2a und 2b zeigen Diagramme zum Darstellen der Leistung einer erwärmten Trockenelektrolytzelle bzw. EMK-Sonde als Funktion der Zeit;
3a und 3b zeigen Ablaufdiagramme zum Darstellen eines bevorzugten Verfahrens zum Betreiben eines Gasanalysators für Diagnosezwecke;
4 zeigt ein Ablaufdiagramm eines bevorzugten Kalibrierungsverfahrens;
5 zeigt ein schematisches Blockdiagramm eines Teils der bevorzugten Analaysatorschaltung mit einer Meßschaltung mit einer Diagnoseschaltung;
6 zeigt eine schematische Darstellung eines Teils einer bevorzugten Meßschaltung mit einer in einem Trockenelektrolyt-Gasanalysator verwendbaren Diagnoseschaltung;
7 zeigt eine schematische Darstellung einer Pufferverstärkerschaltung einer in der bevorzugten Ausführungsform eines Trockenelektrolyt-Gasanalysators verwendbaren Meßschaltung; und
8a und 8b zeigen Wellenformen für verschiedene Diagnoseschaltungen für erfindungsgemäße Trockenelektrolyt-Gasanalysatoren.
Zur Vereinfachung sind die Elemente in den Figuren, die die gleichen Bezugszeichen aufweisen, identisch oder erfüllen die gleiche oder eine ähnliche Funktion.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
1 zeigt ein Blockdiagramm einer bevorzugten Analysatorschaltung 50 in einem erfindungsgemäßen Trockenelektrolytanalysator 40. Die Schaltung 50 wird durch eine AC-Netz-Eingangsspannung mit Energie versorgt, die durch eine entfernt angeordnete Wechselspannungsquelle über Leitungen 76a, 76b zugeführt wird. Die Schaltung 50 steuert eine Sondenheizvorrichung 66, durch die eine EMK-Sonde 60 erwärmt wird. Die Sondenheizvorrichtung 66 weist vorzugsweise eine herkömmliche Struktur auf und ist aus einer Länge aus Nichromdraht hergestellt, der spiralförmig um einen Quarz-Haltezylinder gewickelt ist. Ein Thermoelement 68 oder eine andere Hochtemperaturerfassungsvorrichtung erfaßt die Temperatur der Sonde 60 und vorzugsweise auch der Heizvorrichtung 66 für Meß- oder Überwachungszwecke und zur Rückkopplungssteuerung. Die Schaltung 50 überwacht ein Sondenausgangssignal V_cell von der Zelle 60 und ein die Temperatur T anzeigendes Signal vom Thermoelement 68 und überträgt einen die Sauerstoffkonzentration P(O₂) anzeigenden Parameter über Leitungen 78a, 78b zu einem Meßgerät 80 oder einem Zeichengeber 82. Der Zeichengeber 82 kann auch, vorzugsweise unter Verwendung eines HART^®- oder eines Feldbusprotokolls, über die Leitungen 78a, 78b Befehle und andere Signale an die Schaltung 50 übertragen.
Um ihren verschiedenen Schaltungskomponenten eine Niederspannungs-DC-Spannung zuzuführen, weist die Schaltung 50 eine Schaltspannungversorgung 84 auf, die über einen Gleichrichter 86 mit Leitungen 76a, 76b verbunden ist. In der mitanhängigen Patentanmeldung "Trockenelektrolyt-Gasanalysator mit verbesserter Schaltungs- und Gehäusekonfi guration" sind weitere Details dieser Spannungsversorgung beschrieben.
Außerdem sind über die Leitungen 76a, 76b parallel zum Gleichrichter 86 ein Nulldurchgangdetektor 88, ein Relais 90 und eine Serienschaltung aus einer Heizschaltung 92 und der Sondenheizvorrichtung 66 geschaltet, wobei Details darüber in der vorstehend erwähnten, mitanhängigen Patentanmeldung beschrieben sind.
Eine Steuerungseinrichtung 94 steuert die Heizschaltung 92 über eine Leitung 96, um das Thermoelement 68 und damit die Sonde 60 bei einer vorgegebenen erhöhten Temperatur zu halten. Die Steuerungseinrichtung 94 ist außerdem über Leitungen 114, 116 mit einer Meßschaltung 104 verbunden. Die Meßschaltung 104 empfängt das Ausgangssignal der Zelle über eine Leitung 106, das Ausgangssignal des Thermoelements 68 über eine Leitung 108 und das Ausgangssignal eines lokalen Temperatursensors 110 über eine Leitung 112. Diese Ausgangssignale werden über eine Leitung 114 an die Steuerungseinrichtung 94 übertragen. Das über die Leitung 112 ausgegebene Ausgangssignal zeigt die Temperatur im Elektronikgehäuses (nicht dargestellt) an, in dem die Schaltung 50 angeordnet ist. Die Steuerungseinrichtung 94 verwendet das Ausgangssignal des Sensors 110 als Anzeige der Temperatur am kalten Ende des Thermoelements, um das unaufbereitete oder originale EMK-Ausgangssignal des Thermoelements 68 zum Berechnen der Sondentemperatur T zu korrigieren. Der Sensor 110 ist vorzugsweise eine Halbleiter-Stromquelle Modell AD590 von Analog Devices Inc., Norwood, Massachusetts, kann jedoch ein beliebiger anderer geeigneter Temperatursensor sein, wie beispielsweise ein Thermistor.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann die Steuerungseinrichtung 94 die Meßschaltung 104 über eine Leitung 116 anweisen, über eine Leitung 106a einen Diagnoseprüfvorgang für die Sonde 60 auszuführen, während die Sonde 60 in Position bzw. in situ ist, d.h., vollständig im Rauchzug oder Flammrohr angeordnet und dem Rauchgas ausgesetzt ist. Im Diagnoseprüfvorgang wird vorzugsweise die Impedanz Z der Sonde 60 bei einer oder mehreren ausgewählten Frequenzen gemessen, und dieser Wert wird über die Leitung 114 an die Steuerungseinrichtung 94 übertragen.
Die Steuerungseinrichtung 94 ist außerdem über Leitungen 118a, 118b, eine Leitung 120a bzw. Leitungen 122a, 122b mit einer nichtflüchtigen Speicherschaltung 118, einer Zeitgeberschaltung 120 und einer Übertragungsschaltung 122 verbunden. Im Speicher 118 ist eine der Gleichung 1 ähnliche Gleichung gespeichert, die eine Beziehung zwischen dem gemessenen Wert V_cell der Sondentemperatur T und dem Sauerstoffgehalt P(O₂) darstellt. Im Speicher 118 sind außerdem Informationen über das vorausgesagte Verhalten der Zellenimpedanz als Funktion der Zeit, d.h. Z(t), gespeichert. Im Speicher 118 sind außerdem Informationen über ein Kalibrierungskriterium gespeichert, durch die vorausbestimmt wird, wann die Meßgenauigkeit der Zelle bzw. Sonde 60 außerhalb des vorgegebenen Toleranzbereichs liegen wird und der Benutzer die Zelle bzw. Sonde 60 kalibrieren muß. Im Speicher 118 sind vorzugsweise außerdem Informationen über ein Austauschkriterium gespeichert, durch die vorausbestimmt wird, wann die zuverlässige Funktion der Zelle bzw. Sonde 60 nicht mehr gewährleistet ist und die Zelle bzw. Sonde 60 ausgetauscht werden muß. Die Steuerungseinrichtung 94 verwendet die gemessene Zellen- bzw. Sondenimpedanz Z, die vorausbestimmte Zellen- bzw. Sondenimpedanzfunktion Z(t) und das Kalibrierungs- und Austauschkriterium, um eine Restzeit t_TTC bis zu einer Kalibrierung und eine Restzeit t_TTR bis zu einem Austausch zu berechnen. Außerdem kann, wenn durch die Steue rungseinrichtung 94 berechnet wurde, daß die Zeitdauer für eine Kalibrierung oder die Zeitdauer für einen Austausch überschritten ist, durch die Steuerungseinrichtung 94 eine Warnanzeige für jeden dieser Zustände bereitgestellt werden.
Die Diagnosefunktion Z(t) wird vorzugsweise aus einer Analyse von Alterungstests bezüglich einer großen Anzahl von Trockenelektrolytzellen bzw. EMK-Sonden erhalten, die im wesentlichen mit der im Analysator 40 verwendeten Zelle bzw. Sonde 60 identisch sind. Durch Überwachen des Ausgangssignalfehlers solcher Zellen bzw. Sonden können die Kriterien bezüglich des Diagnoseparameters (Z) und/oder der verstrichenen Zeit t bestimmt werden, durch die vorausbestimmt wird, wann der Zellen- bzw. Sondenausgangssignalfehler einen vorgegebenen Wert überschreitet (so daß eine Kalibrierung erforderlich ist), und wann die Zelle bzw. Sonde 60 nicht mehr zuverlässig arbeitet (so daß ein Austausch erforderlich ist).
Es ist bekannt, daß Trockenelektrolytzellen bzw. EMK-Sonden komplexe Impedanzen aufweisen können (verg. z.B. N. Matsui, Solid State Ionics 3/4 (1981), Seiten 525-529). In der vorliegenden Erfindung wird die Tatsache ausgenutzt, daß die Messung der Zellenimpedanz bei im wesentlichen einer einzigen Frequenz geeignet sein kann, um den Zustand der Zelle zu erfassen. Die 2a und 2b zeigen Daten für Tests bei einer beschleunigten Alterung für einen bestimmten Trockenelektrolyt- bzw. EMK-Sondentyp in einer Umgebung mit hohem Schwefelgehalt. In beiden Figuren sind die Diagnosedatenpunkte durch geschwärzte oder ausgefüllte Kreise dargestellt und beziehen sich auf die linke vertikale Skala, und die Zellen- bzw. Sondenleistungsdatenpunkte sind durch offene Kreise oder Quadrate dargestellt und beziehen sich auf die rechte vertikale Skala. Die x-Achse beider Figuren stellt die verstrichene Testzeitdauer für die getestete Zel le bzw. Sonde, die bei einer Temperatur von 750° gehalten wird, in Tagen dar.
In 2a stellt Z die unter Verwendung eines 100Hz-Rechteckwellen-Injektionsstroms gemessene Zellenimpedanz dar, und Z_o stellt die auf gleiche Weise gemessene Impedanz zum Zeitpunkt t = 0 dar. 2a zeigt, wie die dimensionslose relative Zellenimpedanz Z/Z_o mit der verstrichenen Zeit zunimmt. Gleichzeitig nimmt die Zellenausgangsspannung V_cell ab. Die Abnahmerate für V_cell und die Anstiegsrate für Z sind vor dem Zeitpunkt t = t₁ relativ gering und werden nach dem Zeitpunkt t = t₁ größer. Zum Zeitpunkt t₁ hat die relative Impedanz Z/Zo für den bestimmten getesteten Trockenelektrolyt- bzw. EMK-Sondentyp etwa den Wert 10. Daher kann für diesen bestimmten Zellentyp das folgende Austauschkriterium verwendet werden, um anzuzeigen, daß die Zelle ausgetauscht werden sollte: Z/Zo > 10 (Gl. 2)
In 2b wird die Zellenimpedanz Z auf die gleiche Weise gemessen wie in 6a, die Zellenleistung wird jedoch durch den Fehler des gemäß Gleichung 1 berechneten Wertes P(O₂) gemessen. D.h., der Fehler wird dargestellt durch Fehler = 100%·[P(O2)Ist-Wert – P(O2)Berechnet]/P(O2)Ist-Wert (Gl. 3)
Der Anstieg der Zellenimpedanz ist eindeutig mit einem erhöhten Meßfehler verbunden. Ein Beispielwert für eine vorgegebene Genauigkeit für einen Trockenelektrolytanalysator ist 3% des Anzeigewertes. Der Meßfehler in 6b beginnt den Wert 3% zum Zeitpunkt t₂ zu überschreiten, wobei zu diesem Zeitpunkt Z etwa 20 Ω über seinem Anfangswert Z_o liegt. Daher kann für die für dieses Beispiel getesteten bestimmten Zellen das folgende Kalibrierungskriterium ver wendet werden, um anzuzeigen, daß das Zellenausgangssignal außerhalb des Toleranzwertes liegen kann, und daß der Sensor kalibriert werden sollte: Z ≥ Zo + 20 Ω (Gl. 4)
Die in 6a und 6b dargestellte Zellenimpedanz Z kann näherungsweise durch folgende Funktion der Zeit t dargestellt werden: Z(t) = a+b·√t (Gl. 5)oder Z(t) = (a+b·√t)2 (Gl. 6)und durch Auflösen von Gleichung 5 oder 6 nach t ergibt sich t = [√Z(t) – a]2/b2 (Gl. 7)wobei die Koeffizienten a und b in den Gleichungen 5–7 von Zelle zu Zelle etwas verschieden sein können.
Die 3a und 3b zeigen ein bevorzugtes Verfahren zum Betreiben des erfindungsgemäßen Analysators 40. Bei Schritt 124 wird eine Zellenimpedanz-Modellfunktion Z(t), z.B. die durch Gleichung 6 dargestellte Funktion, für die bestimmte zu verwendende Trockenelektrolytzelle bzw. EMK-Sonde ausgewählt. Alternativ kann die ausgewählte Funktion Z(t) eine allgemeine Funktion sein, wie beispielsweise ein abgebrochenes Polynom in t mit unbekannten Koeffizienten. Bei Schritt 126 werden das Kalibrierungs- und das Austauschkriterium ausgewählt, die beispielsweise in den Gleichungen 2 und 4 dargestellt sind. Diese Kriterien und die Funktion Z(t) werden bei Schritt 128 in den Analysatorspeicher 118 gespeichert. Die Nernst- oder eine andere Gleichung, durch die P (O₂) aus den Meßwerten Vcell und T berechnet werden, werden ebenfalls in den Speicher 118 gespeichert. Ein Zeitgeber 120, der die verstrichene Zeit t zählt, wird ebenso wie ein Zählwert j auf null gesetzt. Wenn der Benutzer den Analysator 40 zum erstenmal in einer Rohrlei tung anordnet und ihm bei Schritt 130 Spannung zuführt, und nachdem die Steuerungseinrichtung 94 die Heiztemperatur T bei Schritt 132 auf einen im Speicher 118 gespeicherten Einstellwert T_set gesteuert hat, wird der Zeitgeber 120 bei Schritt 134 aktiviert, und bei Schritt 136 wird die Zellenimpedanz Z gemessen und als Anfangsimpedanzwert Z_o im Speicher 118 gespeichert. Anschließend werden bei Schritt 140 für den laufenden Operationsblock 138 des Analysators das Zellenausgangssignal V_cell und die Temperatur T gemessen, woraufhin bei Schritt 142 der Sauerstoffpegel P(O₂) des Flammrohrs aus der Nernst- oder einer ähnlichen Gleichung berechnet wird und dieser Pegel über die Übertragungsschaltung 122 an einen entfernten Ort übertragen wird. Die Heizschaltung 92 aktiviert die Zellenheizvorrichtung 66, um die Heiz- und die Zellentemperatur T bzw. T_set aufrechtzuerhalten, wie durch Schritt 144 dargestellt. Im Entscheidungsblock 146 wird der Zellendiagnoseparameter intermittierend gemessen. Die Differenz zwischen der tatsächlich abgelaufenen Zeit t und einem Zeitpunkt t_last, an dem der Zellendiagnoseparameter zuletzt gemessen wurde, wird mit einer Zeit t_inc verglichen, die darstellt, wie oft die Zellenimpedanz gemessen werden muß. Der Wert t_inc kann auf einen beliebigen Sollwert gesetzt werden, wobei jedoch Werte zwischen einer Stunde und einem Tag bevorzugt sind, um zu gewährleisten, daß die Operation ohne übermäßigen Speicherbedarf des Speichers 118 zum Speichern der einzelnen Datenpunkte (t, Z) ausgeführt werden kann. Wenn innerhalb der vergangenen Zeitdauer t_inc ein Diagnoseprüfvorgang durchgeführt wurde, kehrt die Steuerung über die Leitung 147 zum laufenden Operationsblock 138 zurück. Andernfalls wird Schritt 148 ausgeführt. Der Zählwert j wird um 1 erhöht, der Parameter t_last wird auf die aktuelle Zeit t gesetzt, die Zellenimpedanz wird gemessen und als Z_j zusammen mit der als t_j gespeicherten aktuellen Zeit t gespeichert. Vom Entscheidungsblock 150 kehrt die Verarbeitung zum laufenden Operationsblock 138 zurück, wenn die Anzahl der gespeicherten Impedanzwerte kleiner ist als ein Wert j_min. Ansonsten wird die Verarbeitung bei Schritt 152 (vergl. 3b) fortgesetzt. Die Analysatorschaltung 50 führt eine Methode der kleinsten Quadrate, eine Fuzzy-Logikverarbeitung oder eine andere geeignete mathematische Verarbeitung aus, um die Koeffizienten von Z(t) zu berechnen, durch die Z (t) den gemessenen Datenpunkten (t_j, Z_j) , j = 0 bis j, am besten angepaßt wird. Wenn Z(t) gemäß Gleichung 6 berechnet wird, sind die zu berechnenden Koeffizienten die Koeffizienten a und b. Wenn der Analysator vorher nicht kalibriert wurde, schreitet die Verarbeitung über den Entscheidungsblock 154 zu Schritt 156 fort, wo die Analysatorschaltung eine geschätzte Kalibrierungszeit t_calest und eine geschätzte Austauschzeit t_replaceest aus der Funktion Z(t), der Anfangsimpedanz Z_o und dem Kalibrierungs- bzw. dem Austauschkriterium berechnet. Wenn vorher Kalibrierungen ausgeführt wurden, kann in Schritt 158 zusätzlich die gemessene Zellenimpedanz Z_calib der aktuellsten Kalibrierung und die entsprechende Zeit t_calib zum Berechnen der Werte tcalest und t_replaceest verwendet werden. Die Verarbeitung schreitet daraufhin zu Schritt 160 fort. Die Analysatorschaltung subtrahiert die aktuelle verstrichene Zeit t von t_calest und t_replaceest um einen bis zur Kalibrierung verbleibenden Zeit-Schätzwert t_TCC und einen bis zum Austausch verbleibenden Zeit-Schätzwert t_TTR zu erhalten. Wenn t_TTC negativ ist, verzweigt sich die Verarbeitung im Entscheidungsblock 162 zu Schritt 164, wo über die Übertragungsschaltung 122 eine Warnmeldung oder ein Flag ausgegeben wird, durch die/das angezeigt wird, daß der Analysator kalibriert werden muß. Ähnlicherweise verzweigt sich, wenn t_TTR negativ ist, die Steuerung im Entscheidungsblock 166 zu Schritt 168, wo über die Übertragungsschaltung 122 eine Warnmeldung oder ein Flag ausgegeben wird, durch die/das angezeigt wird, daß der Analysator ersetzt werden muß. Bei Schritt 170 werden beide Werte t_TTC und t_TTR über die Übertragungsschaltung 122 an einen entfernten Ort ausgegeben, und die Verarbeitung kehrt über die Leitung 171 zum laufenden Operationsblock 138 zurück. Wenn beide Werte t_TTC und t_TTR nicht negativ sind, kann durch die Schaltung 122 eine zusätzliche Anzeige bereitgestellt werden, die darstellt, daß das Analysatorausgangssignal (wahrscheinlich) innerhalb der Genauigkeitsspezifikation (z.B. 3% des Anzeigewertes) liegt.
Wenn die Analysatorschaltung 50 bei Schritt 164 eine Warnmeldung erzeugt, wodurch empfohlen wird, eine Sensorkalibrierung vorzunehmen, kann entweder manuell oder automatisch eine in 4 dargestellte Kalibrierungsverarbeitung ausgeführt werden. Nachdem die Trockenelektrolytzelle bzw. EMK-Sonde einem Testgas A mit bekanntem Sauerstoffgehalt P(O₂)_A ausgesetzt wurde, überträgt die Bedienungsperson bei Schritt 172 eine Bestätigung an die Analysatorschaltung 50. Die Analysatorschaltung mißt dann bei Schritt 174 das Zellenausgangssignal V_cell und die Temperatur T und speichert die Meßwerte als V_cellA und T_A. Die Schaltung 50 wartet dann bei Schritt 176 auf eine Bestätigung, daß ein Testgas B mit einem anderen Sauerstoffgehalt P(O₂)_B in die Sonde eingeleitet wurde. Wenn eine Bestätigung empfangen wurde, werden V_cell und T erneut gemessen und diesmal bei Schritt 178 als V_cellB und T_B gespeichert. Bei Schritt 180 korrigiert die Ana lysatorschaltung die Nernst- oder eine andere Gleichung so, daß das gemäß dieser Gleichung berechnete Zellenausgangssignal mit den neuen Kalibrierungsdaten übereinstimmt. Die Zellenimpedanz Z wird gemessen und im letzten Schritt 182 als Z_calib mit der als t_calib gespeicherten aktuellen Zeit gespeichert.
Nachstehend wird erneut Bezug genommen auf die bevorzugte Struktur der Analysatorschaltung 50. Das Blockdiagramm von 5 zeigt die Steuerungsschaltung 94, die Meßschaltung 104 und die Verbindungen dazwischen. Die Meßschaltung 104 empfängt ein EMK-Eingangssignal von der EMK-Sonde 60, ein Eingangssignal vom Thermoelement 68, ein Eingangssignal vom lokalen Temperatursensor 110 und ein Gleichspannungs-Referenzsignal 184 und führt diese Eingangssignale einem Analog/Digital-(A/D-)Wandler 186 zu. Die Eingangssignale werden dem A/D-Wandler 186 über einen Multiplexer (MUX) 198 und einen Pufferverstärker 190 mit hoher Eingangsimpedanz zugeführt, wie dargestellt. Um eine Messung auszuführen, steuert die Steuerungseinrichtung 94 den Multiplexer (MUX) 188 über eine Leitung 188a an, um eines der Eingangsleitungspaare 192, 194 196 oder 198 mit dem mit der Leitung 188b verbundenen Multiplexerausgang zu verbinden. Der Pufferverstärker 190 verstärkt das Multiplexerausgangssignal mit einem Verstärkungsgrad, der vorzugsweise durch die Steuerungseinrichtung 94 über eine Leitung 190a programmierbar ist. Der A/D-Wandler 186 empfängt das Ausgangssignal des Pufferverstärkers 190 über eine Leitung 190b und überträgt einen das ausgewählte Leitungspaar 192, 194, 196 oder 198 darstellenden Digitalwert über eine Leitung 186a an die Steuerungseinrichtung 94. Durch den programmierbaren. Verstärkungsgrad der Pufferschaltung 190 ist die Meßschaltung 104 flexibel zum Messen eines weiten Bereichs von Eingangssignalpegeln.
Die Meßschaltung 104 weist vorzugsweise eine zwischen den Eingangsleitungen 192 parallel zur Zelle 60 geschaltete Diagnoseschaltung 200 auf. Wenn ein Oszillator 202 in der Diagnoseschaltung 200 über eine Steuerleitung 200a durch die Steuerungseinrichtung 94 angesteuert wird, aktiviert er eine Stromquelle 204 bei einer oder mehreren Frequenzen. Die Stromquelle leitet einen bekannten Strom I durch die Sonde 60. Durch Vergleichen der Spannung zwischen den Eingangsleitungen 192 vor und während der Aktivierung der Diagnoseschaltung 200 kann die Steuerungseinrichtung 92 die durch den Strom I verursachte Potentialdiffenrenz ΔV und dadurch die Zellenimpedanz Z gemäß Z = ΔV/I berechnen. Dieser Diagnoseprüfvorgang wird für die Zelle 60 ausgeführt, während der Analysator 40 vor Ort oder in situ angeordnet ist, d.h., daß der Analysatormeßkopf in der Rohrleitung angeordnet und die Sonde 60 dem Flamm- oder Rauchgas ausgesetzt ist. Dies ist möglich, weil die gemessene Impedanz von EMK-Zellen 60 im wesentlichen unabhängig ist vom Zellenausgangssignal V_cell und von den Sauerstoffpegeln P(O₂) und P(O₂)_ref. Ein wichtiger Vorteil einer solchen vor-Ort- oder in-situ-Diagnosemessung im Vergleich zu anderen Techniken ist, daß der Zellenzustand erfaßt werden kann, während die normale Analysatoroperation nur minimal gestört wird. Bei einer alternativen Ausführungsform kann die Diagnoseschaltung 200 den Pegel des Stroms I variieren, bis eine bestimmte Potentialdifferenz ΔV erreicht ist. In diesem Fall wird Z wiederum durch Z = ΔV/I berechnet.
In 6 sind eine bevorzugte Diagnoseschaltung 200 und eine zugeordnete Meßschaltung detaillierter dargestellt. Eingangssignale der Schaltung sind Signale einer Sonde 60, eines Thermoelements 68 und eines lokalen Temperatursensors 110. Weitere Eingangssignale der Schaltung sind verschiedene Gleichspannungen, die direkt oder indirekt von der Schaltspannungsversorgung 84 erhalten werden, wobei diese Gleichspannungen verwendet werden, um Analysatorschaltungskomponenten, z.B. Verstärker OA1 und OA2 und einen als Oszillator 202 wirkenden Zeitgeber IC1 der Serie 555, mit Spannung zu versorgen. Die Spannungsversorgung 84 führt Brücken oder Verbindern J1 und J2 eine Gleichspannung von 7V zu. Der Sensor 110 (Analog Devices Modell AD590) leitet einen bekannten Strom als Funktion der Temperatur durch einen bekannten Serienwiderstand R1. Das erhaltene Potential über R1, das die Temperatur innerhalb des Elektronikgehäuses anzeigt, wird über Eingangsleitungen 196 dem Multiplexer 188 zugeführt. Eine mit dem Widerstand R2 in Serie geschaltete Zenerdiode D1 erzeugt ein Gleichspannungs-Referenzpotential von vorzugsweise etwa 1,235 V an einem Knoten 206. Dieses Referenzpotential wird über Eingangsleitungen 198 dem Multiplexer 188 zugeführt und zum Verifizieren der Genauigkeit des A/D-Wandlers 186 verwendet. In der bevorzugten Schaltung 200 weist die in 5 dargestellte Stromquelle 204 eine Stromquellenschaltung 208 und eine Stromsenkenschaltung 210 auf. Über den Knoten 206 wird das Referenzpotential der Stromquellenschaltung 208 zugeführt, die einen Operationsverstärker OA1 aufweist, der, wie dargestellt, so geschaltet ist, daß sein Ausgangssignal über einen Widerstand R3, einen Transistor T1, einen Widerstand R4 und einen Widerstand R5 auf seinen Eingang zurückgekoppelt wird. Bei einem Betrieb im stationären Zustand, wenn die Diagnoseschaltung 200 im wesentlichen inaktiv ist, ist der Transistor T1 im wesentlichen ausgeschaltet, außer daß er in einem solchen Maße aktiviert ist, daß der Knoten 212 auf dem Referenzpotential des Knotens 206 gehalten wird. Die Stromsenkenschaltung 210 ist über einen Spannungsteiler, der Serientransistoren R6 und R7 aufweist, mit dem Knoten 212 verbunden. Ein Knoten 214 zwi schen Widerständen R6 und R7 ist mit dem nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers OA2 und mit dem Ausgang ENTLADUNG des Zeitgebers IC1 verbunden. Der Zeitgeber IC1 wird über einen RÜCKSETZ-Eingang gesteuert, der über einen Verbinder J3 und vorzugsweise über eine Pufferschaltung mit der Steuerungseinrichtung 94 verbunden ist. Während die Steuerungseinrichtung 94 den RÜCKSETZ-Eingang auf einem niedrigen (geerdeten) Zustand hält, weist das IC1-Ausgangssignal am Ausgang ENTLADUNG das Erdpotential auf. Wenn die Steuerungseinrichtung 94 den RÜCKSETZ-Eingang auf einen hohen Zustand schaltet, ändert sich das Signal am Ausgang ENTLADUNG mit einer durch einen Widerstand R8 und einen Kondensator C1 festgelegten Frequenz zwischen Erdpotential und einem offenen Schaltungszustand. Es hat sich gezeigt, daß eine zuverlässige Diagnoseanzeige bei einer Frequenz von etwa 50 bis 150 Hz erhalten wird.
Die Stromsenkenschaltung 210 zieht einen Strom I durch die Zelle 60, wobei der Strom durch die Stromversorgungsschaltung 208 nur dann zugeführt wird, wenn der Ausgang ENTLADUNG des Zeitgebers IC1 auf einen offenen Zustand eingestellt ist. In diesem Fall wird das Potential am nichtinvertierenden Knoten 214 das Referenzpotential multipliziert mit (R7)/(R6 + R7), und durch die Wahl eines Drain-Widerstandes R9 an der Drain-Elektrode des Transistors T2 wird die Größe des von der Stromquellenschaltung 208 durch die Zelle 60 gezogenen Stroms gesteuert. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist R6 = R7, so daß das Potential am Knoten 214 dem halben Referenzpotential, d.h. 0,618 V, entspricht, und R9 = 620 Ω, so daß I ≈ 1 mA beträgt. Dieser Strompegel ist hoch genug, um für erwartete Zellenimpedanzen (etwa 10 bis 250 Ω) eine leicht meßbare Potentialdifferenz ΔV über die Zelle 60 zu erzeugen, jedoch nicht so hoch, daß eine wesentliche ohmsche Erwärmung in der Zelle 60 auftreten kann. Die Trockenelektrolytzelle bzw. EMK-Sonde 60 ist über Verbinder J4, J5 mit Knoten 212, 216 verbunden, die mit der Stromversorgungsschaltung 208 und der Stromsenkenschaltung 210 verbunden sind, und außerdem mit zum Multiplexer 188 führenden Eingangsleitungen 192.
Ein Thermoelement 68 ist über Verbinder J6, J7 mit zum Multiplexer 188 führenden Eingangsleitungen verbunden, wobei der Anschluß am Verbinder J6 auf dem Potential des Knotens 212 gehalten wird.
7 zeigt Details der bevorzugten Pufferverstärkerschaltung 190 von 5. Über Leitungen 188b, 188b wird das Ausgangssignal vom Multiplexer 188 zu Verstärkern OA3 und OA4 mit hoher Eingangsimpedanz übertragen, die beide durch die Schaltspannungsversorgung 84 direkt oder über zwischengeschaltete Gleichspannungswandler indirekt mit Spannung versorgt sind. Der Verstärker OA4 arbeitet als Folgerverstärker, und der Verstärker OA3 ist so aufgebaut, daß er einen auswählbaren Verstärkungsgrad und eine Spitzenwertnachführfunktion aufweist. Die Verstärkungsgradauswahl erfolgt unter Verwendung von Verbindern J8, J9, J10, J11, über die eine Verbindung mit der Steuerungseinrichtung 94 hergestellt wird. Die Steuerungseinrichtung 94 wählt durch selektives Verbinden des Verbinders J8 mit dem Verbinder J9, J10 bzw. J11 einen niedrigen, mittleren oder hohen Verstärkungsgrad aus, so daß der Rückkopplungswiderstand für OA3 durch R10, R10 + R11 bzw. R10 + R11 + R12 gebildet wird. Die Spitzenwertnachführung wird unter Verwendung von Verbindern J12, J13 ausgeführt, durch die eine direkte oder indirekte Verbindung mit der Steuerungseinrichtung 94 hergestellt werden kann. Normalerweise wird die Spitzenwertnachführung deaktiviert, indem die Verbinder J12, J13 miteinander verbunden oder gekoppelt und dadurch kurzgeschlossen werden. Wenn jedoch die Steuerungseinrichtung 94 die Diagnoseschaltung 200 aktiviert, wird auch die Verbindung zwischen dem Verbinder J12 und dem Verbinder J13 unterbrochen, wodurch der Kondensator C2 über die Diode D2 geladen werden kann, um den Spitzenspannungspegel V_cell+ ΔV durch den durch die Zelle 60 gepumpten modulierten Strom I nachzuführen. Eine Leitung 190b ist mit den Widerständen R13 und R14 verbunden, und über die Leitung 190b wird das Pufferverstärkerausgangssignal an den A/D-Wandler 186 übertragen.
8a zeigt ein an den Eingangsleitungen 192, die mit der Zelle 60 und der Diagnoseschaltung 200 verbunden sind, gemessenes Spannungssignal. Vor einem Zeitpunkt t_α ist das Signal auf ein Potential V_cell eingestellt, das ausschließlich durch die erwärmte Zelle 60 erzeugt wird. Zum Zeitpunkt t_α aktiviert die Steuerungseinrichtung 94 die Diagnoseschaltung 200, wodurch der modulierte Strom I durch die Zelle 60 übertragen wird, so daß die Potentialdifferenz ΔV, die durch den durch die Zellenimpedanz Z fließenden Strom erzeugt wird, zum Zellenausgangssignal V_cell addiert wird. Außerdem unterbricht die Steuerungseinrichtung 94 zum Zeitpunkt t_α die Verbindung zwischen den Verbindern J12, J13, so daß die Pufferschaltung 190 eine stabile Spitzenspannung V_cell+ ΔV an den A/D-Wandler 186 übertragen kann. Die Diagnoseschaltung 200 bleibt lange genug aktiviert, damit die Pufferschaltung 190 stabilisiert werden kann und der A/D-Wandler 186 ein zuverlässiges Ausgangssignal über die Leitung 186a ausgeben kann. Die Steuerungseinrichtung 94 schaltet dann die Diagnoseschaltung 200 zu einem Zeitpunkt t_β aus, wobei t_β - t_α ≈ 1 ms beträgt, und der Signalpegel kehrt auf den Wert V_cell zurück. Die Steuerungseinrichtung 94 vergleicht das A/D-Wandler-Ausgangssignal zwischen der Zeit t_α und t_β mit dem unmittelbar vor dem Zeitpunkt t_α vorhandenen Ausgangssignal, um ΔV zu erhalten und dadurch den Zellendiagnoseparameter Z zu berechnen. Die Diagnoseschaltung 200 bleibt inaktiv, bis die Steuerungseinrichtung 94 sie zu einem Zeitpunkt t_α + t_inc automatisch wieder aktiviert. Weil die Zeitdauer t_inc Stunden oder sogar Tage sein kann, kann das Zellenausgangssignal V_cell aufgrund einer Änderung der Temperatur T oder des Sauerstoffpegels P(O₂) von dem zum Zeitpunkt t_α erhaltenen Wert verschieden sein.
Obwohl die Diagnoseschaltung von 6, die das Signal von 8a erzeugt, aufgrund ihrer Einfachheit und ihrer geringen Anzahl erforderlicher Schaltungskomponenten eine bevorzugte Ausführungsform darstellt, können andere vor-Ort- oder in-situ-Diagnosetechniken verwendet werden, durch die andere Signale erzeugt werden. Beispielsweise kann die Polarität des Stroms I umgekehrt sein, so daß ΔV nicht zu V_cell addiert, sondern davon subtrahiert wird. 8b zeigt eine noch andere Technik, bei der der Strom I eine Sinusfunktion der ausgewählten Frequenz ist und ΔV von Spitzen- zu Spitzenwert gemessen wird. Sowohl der sinusförmige Strom (vergl. 8b), als auch der modulierte Rechteckstrom (vergl. 8a) sind für die Messung der Zellenimpedanz Z im wesentlichen auf eine einzige Frequenz bezogen, obwohl der Rechteckstrom kleine Amplituden von Hochfrequenzkomponenten aufweist. Falls erwünscht, kann die Zellenimpedanz Z durch Umschalten zwischen zwei oder mehr Widerständen, die an Stelle des Widerstandes R8 angeordnet sind, oder durch Umschalten zwischen zwei oder mehr Kondensatoren, die an Stelle des Kondensators C1 angeordnet sind, wodurch die Frequenz des Oszillators 202 geändert wird, bei zwei oder mehr Frequenzen überwacht werden.
Obwohl die vorliegende Erfindung unter Bezug auf bevorzugte Ausführungsformen beschrieben wurde, ist für Fachleute ersichtlich, daß Änderungen in der Form und im Detail vorgenommen werden können, ohne den durch die beigefügten Patentansprüche definierten Geist und Umfang der Erfindung zu verlassen. Die Erfindung betrifft Trockenelektrolyt-Gasanalysatoren, betrifft jedoch nicht die Trockenelektrolytzelle oder EMK-Sonde selbst, die verschiedenartige Konfigurationen und Zusammensetzungen aufweisen kann.

Claims

Analysatorschaltung für einen Gasanalysator mit einer Trockenelektrolytzelle und einer in der Nähe der Zelle angeordneten Heizvorrichtung, wobei die Zelle ein Zellenausgangssignal als Funktion eines betrachteten Gases erzeugt und die Analysatorschaltung ein Analysatorausgangssignal als Funktion des Zellenausgangssignals erzeugt und aufweist: eine mit der Heizvorrichtung verbundene Heizschaltung zum Heizen der Zelle als Antwort auf ein Steuersignal; eine temperaturempfindliche Einrichtung, die operabel mit der Zelle verbunden ist, und ausgebildet ist, um ein Ausgangssignal der temperaturempfindlichen Einrichtung in Abhängigkeit von der Temperatur der Zelle bereitzustellen; eine mit der Zelle verbundene Meßschaltung mit einer Diagnoseschaltung zum Messen der Zellimpedanz und zum Bereitstellen eines Diagnoseausgangssignals, das den Degradationszustand der Zelle anzeigt, während die Zelle dem betrachteten Gas ausgesetzt ist; eine mit der Diagnoseschaltung verbundene Steuerung, die ausgebildet ist, um intermittierend die Diagnoseschaltung zu aktivieren, das Ausgangssignal der temperaturempfindlichen Einrichtung zu empfangen und das Steuersignal an die Heizschaltung bereitzustellen, um die Zelle bei einer erhöhten Temperatur zu halten; und eine Speicherschaltung, die ausgebildet ist, um Diagnoseinformationen, die die Zellimpedanz zur Zelldegradation in Beziehung setzen, zu speichern, und wobei das Diagnoseausgangssignal in Beziehung mit der Diagnoseinformation und der Zellimpedanz steht.
Analysatorschaltung nach Anspruch 1, wobei die Diagnoseschaltung die Zellenimpedanz bei einer vorgegebenen Frequenz mißt, die vorzugsweise zwischen 50 und 150 Hz beträgt.
Analysatorschaltung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Diagnoseschaltung einen vorgegebenen elektrischen Strom durch die Zelle injiziert und ein elektrisches Potential über die Zelle mißt.
Analysatorschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei in der Speicherschaltung eine Zellenkalibrierungskriteriuminformation gespeichert ist und die Steuerung ein Diagnoseausgangssignal als Funktion der Zellenkalibrierungskriteriuminformation oder der, Zellenaustauschkriteriuminformation erzeugt.
Analysatorschaltung in einem Gasanalysator mit einer Trockenelektrolytzelle, die durch eine Heizvorrichtung erwärmt wird und mit einer Analysatorschaltung verbunden ist, wobei die Trockenelektrolytzelle ein Zellenausgangssignal als Funktion eines betrachteten Gases erzeugt, und wobei die Analysatorschaltung aufweist: eine mit der Heizvorrichtung verbundene Heizschaltung zum Halten der Trockenelektrolytzelle bei einer erhöhten Temperatur; und eine Meßschaltung zum Erzeugen eines Analysatorausgangssignals als Funktion des Zellenausgangssignals, wobei die Meßschaltung eine Diagnoseschaltung zum Messen einer Kenngröße der Zelle aufweist, während die Zelle dem betrachteten Gas ausgesetzt ist.
Verfahren zum Erfassen eines Zustands einer Trockenelektrolytzelle, die in Antwort auf eine Menge einer Gaskomponente in einem betrachteten Gas, dem die Zelle ausgesetzt ist, eine Zellen-EMK-Kraft erzeugt, mit den Schritten: (a) Halten der Zelle bei einer erhöhten Temperatur; (b) Messen der Zellen-EMK-Kraft und Bereitstellen eines die Menge der Gaskomponente darstellenden Analysatorausgangssignals als Funktion der Zellen-EMK-Kraft; (c) Messen eines Zellendiagnoseparameters, während die Zelle dem betrachteten Gas ausgesetzt ist und bei der erhöhten Temperatur gehalten wird, und Bereitstellen eines den Zustand der Zelle darstellenden Diagnoseausgangssignals als Funktion des gemessenen Zellendiagnoseparameters; (d) Speichern eines mathematischen Modells des Zelldiagnoseparameters als eine Funktion der Zeit; (e) Korrigieren des mathematischen Modells unter Verwendung des gemessenen Zellendiagnoseparameters; und (f) Verwenden des korrigierten mathematischen Modells zum Erzeugen des Diagnoseausgangssignals.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Zellendiagnoseparameter eine Impedanz der Zelle ist, und wobei der zweite Meßschritt die Schritte zum Injizieren eines bekannten Stroms durch die Zelle und zum Messen einer sich durch den bekannten Strom ergebenden Spannungsänderung aufweist.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, mit dem Schritt zum Modulieren des bekannten Stroms mit einer vorgegebenen Frequenz, die vorzugsweise zwischen 50 und 150 Hz beträgt
Verfahren nach Anspruch 6, 7 oder 8, ferner mit den Schritten: (g) Bereitstellen eines Kalibrierungskriteriums, das einen Zustand des Zellendiagnoseparameters definiert, der einer Leistungsabnahme der Zellen-EMK-Kraft über einen vorgegebenen Genauigkeitsgrenzwert hinaus zugeordnet ist; wobei der Verwendungsschritt (f) das Verwenden des korrigierten mathematischen Modells zum Berechnen einer Kalibrierungszeit aufweist, zu der das Kalibrierungskriterium erfüllt sein wird, und wobei das Diagnoseausgangssignal eine Funktion der Kalibrierungszeit ist.
Verfahren nach Anspruch 6, 7 oder 8, ferner mit dem Schritt: (g) Bereitstellen eines Austauschkriteriums, das einen Zustand des Zellendiagnoseparameters definiert, der einer nicht akzeptablen Leistungsabnahme der Zelle zugeordnet ist; wobei der Verwendungsschritt (f) das Verwenden des korrigierten mathematischen Modells zum Berechnen einer Austauschzeit aufweist, zu der das Austauschkriterium erfüllt sein wird, und wobei das Diagnoseausgangssignal eine Funktion der Austauschzeit ist.