-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren
nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, sowie eine Vorrichtung
nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 13.
-
Sie beschäftigt sich also mit einem Verfahren und
einer Vorrichtung zur Modulierung des Sauerstofflusses, der auf
einen kalorimetrischen Gassensor auftrifft, um die Genauigkeit und
die Nachweisgrenze der Vorrichtung zu verbessern.
-
Kalorimetrische Gassensoren sind
potentiell dazu geeignet, die Konzentration brennbaren Materials
in Kraftfahrzeug-Auspuffsystemen an Bord zu messen und erhöhte Niveaus
brennbaren Materials mit der Verschlechterung der Effektivität der Kohlenwasserstoff(HC)umwandlung
eines Kraftfahrzeug-Dreiwege-Katalysators (TWC) zu korrelieren.
-
Ein einfacher kalorimetrischer Gassensor
ist im US Patent 5,451,371, übertragen
auf Ford Motor Company, beschrieben. Der im US Patent 5,451,371 beschriebene
kalorimetrische Gassensor beinhaltet einen massiven Siliciumrahmen
und eine Polysiliciumschicht, die an einer Seite des Rahmens befestigt ist.
Innerhalb der Grenzen der Polysiliciumschicht befinden sich zwei
Polysiliciumplatten, die in Öffnungen der
Polysiliciumschicht lokalisiert sind. Jede der zwei Polysiliciumplatten
enthält
ein Platin-Widerstandsthermometer. Eine der Polysiliciumplatten,
das Meßelement,
hat auf der oberen Oberfläche
eine katalytische Schicht, während
die andere, das Referenzelement (auf dem kein Katalysator abgelagert
ist) zur Temperaturkompensation verwendet wird.
-
Wenn brennbares Material in der Atmosphäre der Gasmischung
vorhanden ist, erhöht
sich durch exotherme Reaktion dieser Moleküle mit dem Sauerstoff auf der
katalytischen Schicht die Temperatur des Meßelementes über die des Referenzelementes. Eine
Messung der Temperaturdifferenz zwischen den beiden Elementen liefert
ein Maß für die Konzentration
brennbaren Materials in der Gasmischung. Es wird beobachtet, daß, in Gegenwart
von Sauerstoffüberschuß gegenüber dem
stöchiometrischen
Wert, das Ansprechen der Vorrichtung eine lineare Abhängigkeit
von der Konzentration brennbaren Materials aufweist, was bedeutet,
daß der
Fluß der
an der Oberfläche
oxidierten Moleküle
proportional zur Konzentration brennba ren Materials in der Gasmischung ist.
Es hat sich gezeigt, daß kalorimetrische
Vorrichtungen auf Si-Basis, wie eine im US Patent 5,451,371 beschrieben
ist, die Fähigkeit
haben, eine Minimalkonzentration, die als Nachweisgrenze bezeichnet wird,
in der Größenordnung
von 10 ppm C1 anzuzeigen, wenn der Fluß und die
Temperatur des Gasstromes gut gesteuert sind. Diese Nachweisgrenze
ist ausreichend niedrig, um niedrige Kohlenwasserstoffkonzentrationsniveaus
im Auspuffgas neuerer Kraftfahrzeuge zu messen. Wie auch immer,
in vielen praktischen Anwendungen, die ein Messen des Auspuffgases
beinhalten, wird die Vorrichtung großen Temperaturschwankungen
ausgesetzt, insbesondere in einer Umgebung turbulenten Flusses hoher
Geschwindigkeit. Solche Temperaturschwankungen bewirken einen Anstieg
des Rauschens der Vorrichtung, weil sie nicht vollständig durch
die Differential-Natur der Vorrichtung kompensiert werden können, und
als ein Ergebnis wird die Nachweisgrenze der Vorrichtung schlechter.
Zusätzlich
ist es erforderlich, daß die
Nullpunktverschiebung des Differentialkalorimeters, die auf der
Differenz zwischen zwei Widerstands-Temperatur-Detektoren (RTDs)
basiert, wobei einer ein Referenzelement und der andere ein Meßelement
ist, exakt eingestellt ist, um eine Eichgenauigkeit von 10 ppm C,
zu erhalten. Weiterhin reduziert jede Drift der Nullpunktverschiebung
während der
Lebensdauer der Vorrichtung die Langzeit-Genauigkeit des Sensors.
-
Es ist allgemein bekannt, daß, wenn
ein elektrischer Strom durch eine ZrO
2 Zelle
fließt,
O
2 von dem an die negative Elektrode angrenzenden
Gas zu dem an die positive Elektrode angrenzenden Gas übertragen
(gepumpt) wird. Die Verwendung einer O
2-pumpenden
ZrO
2-Zelle, die dazu dient, benötigtes O
2 zu einer Gasmischung hinzufügen, die
brennbares Material ohne O
2 (oder mit nur
einer kleinen O
2 Menge) enthält, um die
Konzentration dieses brennbaren Materials mit einem Gassensor (z.B.
vom Typ eines SnO
2 Widerstandsgassensors)
messen zu können,
ist in US Patent Nr. 4,250,169, übertragen auf
Ford Motor Company, beschrieben. Aus der
US 5608154 ist ist ein Kohlenstoffmonoxid-Sensor
bekanntgeworden, der den 'Sauerstoffpartialdruck
in einer Zelle mit einem Kohlenmonoxid-Adsorbtionsmittel misst und
dadurch einen Rückschluss
auf das im ursprünglichen
Gas enthaltene CO zieht. Dieser Sensor verwendet eine herkömmliche
Messmethode. In der
EP
0747 694 A2 ist ein Differntial-Kalorimeter offenbart,
das eine Modulation eines Gasflusses zur Bestimmung der kalorischen
Grössen
einsetzt. Allerdings ist hier kein Hinweis auf die Anwendung einer Modulationstechnik
auf andere Gebiete gegeben.
-
Es ist daher Aufgabe der Erfindung,
die Genauigkeit und die Nachweisgrenze von kalorimetrischen Gassensoren
zur Messung von Auspuffgasbestandteilen zu verbessern.
-
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein
Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Ferner
wird sie auch durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 13
gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
-
Demgemäß handelt es sich bei der Erfindung um
ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Modulation der Sauerstoffkonzentration
einer Gasmischung, die einem kalorimetrischen Gassensor angeboten wird,
um die Genauigkeit und die Nachweisgrenze des Sensors zu erhöhen. Das
Verfahren beinhaltet das Einführen
eines Meßelementes
und eines Referenzelementes des kalorimetrischen Gassensors in einen
ersten Bereich, vorzugsweise ein erstes Gehäuse, um der Gasmischung zu
erlauben, auf das Meßelement
und Referenzelement aufzutreffen. Das Verfahren beinhaltet auch
das Ineingriff-Bringen eines zweiten Gehäuses mit einem, eine Sauerstoffreferenzatmosphäre enthaltenden,
zweiten Hohlraum mit dem kalorimetrischen Gassensor, wobei der Eingriffsbereich
eine sauerstoffleitende Membran aufweist. Zur Bildung einer elektrochemischen
Zelle ist ein Elektrodenpaar auf beiden Seiten der Membran angebracht.
Das Verfahren beinhaltet weiterhin das Anlegen eines modulierten
elektrischen Stromes an das Elektrodenpaar auf einem Niveau, das
ausreicht, die Sauerstoffkonzentration der Gasmischung im ersten
Hohlraum auf ein vorbestimmtes hohes Niveau und einen Wert, der
im wesentlichen Null ist, zu modulieren, um ein moduliertes Ausgangssignal
vom kalorimetrischen Gassensor zu erhalten. Zuletzt wird der Gasausgang
bei der Modulationsfrequenz gemessen.
-
Die Erfindung lehrt weiterhin ein
Verfahren zur Messung der Konzentration brennbaren Materials im
Gasstrom mittels eines kalorimetrischen Gassensors, wobei die Sauerstoffkonzentration
im Gasstrom moduliert ist durch intermittierendes Hinzufügen von
Sauerstoff zum Gasstrom, um eine vorbestimmte hohe Sauerstoffkonzentration
zu erreichen, und Entfernen von Sauerstoff aus dem Gasstrom, um einen
Wert, der im wesentlichen Null ist, zu erreichen, um ein moduliertes
Ausgangssignal des kalorimetrischen Gassensors zu produzieren. Das
Verfahren beinhaltet ferner den Schritt des Messens des modulierten
Ausgangssignals bei einer Modulationsfrequenz ω.
-
Ein Merkmal der Erfindung ist, daß das Verfahren
und die Vorrichtung die Sauerstoffkonzentration der Gasmischung
modulieren, um einen modulierten Ausgang eines kalorimetrischen
Gassensors zu erhalten. Ein anderes Merkmal der Erfindung betrifft die
Bereitstellung eines Verfahrens und einer Vorrichtung zur Modulation
der Sauerstoffkonzentration, die auf einem kalorimetrischen Gassensor
reagiert, so daß der
Sensorausgang bei der Modulationsfrequenz gemessen wird, unter Verwendung
von phasenabhängigen
Detektiontechniken, um die Genauigkeit und die Nachweisgrenze des
Sensors zu verbessern. Ein anderes Merkmal der Erfindung ist, daß das Verfahren
und die Vorrichtung die Nachweisgrenze des kalorimetrischen Gassensors
verbessern, so daß er
in einer Umgebung mit großen
Wärmeschwankungen
verwendet werden kann. Ein weiteres Merkmal der Erfindung betrifft
die Beseitigung der Ungenauigkeit des kalorimetrischen Gassensors, die
mit der Drift der Nullpunktverschiebung verbunden ist, mittels des
Verfahrens und der Vorrichtung.
-
Die Erfindung wird im folgenden anhand
der Figuren näher
erläutert.
-
Dabei zeigt:
-
1 das
schematische Ansprechen des kalorimetrischen Sensors bei vorgegebener
Konzentration brennbaren Materials als Funktion der Sauerstoffkonzentration;
-
2 eine
perspektivische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
dargestellt in betrieblicher Verbindung mit einem mikrokalorimetrischen
Gassensor;
-
3a eine
schematische Darstellung der Modulation des pumpenden Stroms;
-
3b die
Modulation der Sauerstoffkonzentration im Hohlraum;
-
3c eine
schematische Darstellung des modulierten Ausgangs der kalorimetrischen
Vorrichtung bei zwei verschiedenen Konzentrationen brennbaren Materials,
wonach die Amplitude der Modulation eine eindeutige Funktion der
Konzentration brennbaren Materials ist; und
-
3d eine
schematische Darstellung des modulierten Ausganges der kalorimetrischen
Vorrichtung bei zwei verschiedenen Konzentrationen brennbaren Materials,
wenn die Nullpunktverschiebung der Vorrichtung Null ist.
-
1 zeigt
den Ausgang eines kalorimetrischen Sensors als Funktion der O2 Konzentration für drei CO Konzentrationen (1000
ppm, 2000 ppm und 3000 ppm). Ähnliche
Ergebnisse werden prinzipiell auch für andere brennbare Gase erhalten.
Bei O2 Überschuß ist der
Sensorausgang nahezu konstant, aber er nimmt ab in dem Maße, wie
die Sauerstoffkonzentration unter den stöchiometrischen Wert für jede der
drei Gasmischungen abfällt
(entsprechend 500 ppm, 1000 ppm, und 1500 PPM O2,
wie es bei der Reaktion CO + 1/2O2 → CO2 erforderlich ist). Es ist klar, daß eine höhere CO
Konzentration eine höhere
O2 Konzentration erfordert, damit eine Gasmischung
mit einem Sauerstoffüberschuß vorliegt.
-
Wie in 1 gezeigt,
muß, damit
die kalorimetrische Vorrichtung zweckmäßig zur Detektion brennbaren
Materials, z.B. CO, eingesetzt werden kann, entweder die O2 Konzentration im Gasstrom bekannt oder
immer ausreichend O2 vorhanden sein, damit
der Gasstrom einen O2 Überschuß enthält, der für die höchsten erwarteten CO Konzentrationen
im Gasstrom ausreicht.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren bewirkt eine Zunahme
in der Genauigkeit und Nachweisgrenze des Sensors. Das Verfahren
beruht auf der Modulation der Sauerstoffkonzentration, die dem Mikrokalorimeter
zwischen zwei Werten angeboten wird, einer entspricht einer Mischung
mit eindeutigen Sauerstoffüberschuß und der
andere entspricht einer Gasmischung mit einer 02 Konzentration
mit einem Wert, der im wesentlichen Null ist. Da die ankommende
Gasmischung in der Regel O2 enthält, ist
es im erfindungsgemäßen Verfahren
notwendig, abwechselnd O2 zur Gasmischung
hinzuzufügen
oder aus ihr zu entfernen.
-
Die Modulation der O2 Konzentration
zwischen zwei Werten kann sehr bequem unter Verwendung einer elektrochemischen
ZrO2 Zelle durchgeführt werden. Es ist allgemein
bekannt, daß,
wenn ein elektrischer Strom durch eine ZrO2 Zelle
fließt,
O2 von dem an die negative Elektrode angrenzenden
Gas zu dem an die positive Elektrode angrenzenden Gas übertragen
(gepumpt) wird. Wenn bei einer Frequenz ω wiederholt ein Strom in der
richtigen Richtung durch die ZrO2 Zelle
geleitet wird, um der an die kalorimetrischen Vorrichtung angrenzenden
Gasmischung überschüssigen O2 hinzuzufügen, und dann ein Strom in
umgekehrter Richtung durch die ZrO2 Zelle
geleitet wird, um den gesamten Sauerstoff aus der an die kalorimetrische
Vorrichtung angrenzenden Gasmischung zu entfernen, wird infolgedessen
ein modulierter Ausgang der Vorrichtung generiert, weil, der Ausgang
des Kalorimeters bei einer vorgegebenen CO Konzentration, bei O2 Überschuß, maximal und
nahezu Null ist, wenn die O2 Konzentration
nahezu null ist. Durch Messen des Vorrichtungsausgangs bei der Modulationsfrequenz,
zum Beispiel unter Verwendung phasenabhängiger Techniken, wird die Nullpunktverschiebung
beseitigt und das Rauschen der Vorrichtung reduziert. Die Modulation
des Sauerstofflusses wird durch die unten beschriebene Vorrichtung
erreicht. Dieselbe Vorrichtung, die die Modulation des Sauerstofflusses
bewirkt, ermöglicht
es, das Mikrokalorimeter zu Messung von brennbaren Material zu verwenden,
unabhängig
davon, ob die ankommende Gasmischung O2 im
stöchiometrischen Überschuß enthält.
-
2 zeigt
eine bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung, in der die Vorrichtung 10 einen ersten Bereich,
vorzugsweise ein erstes Gehäuse 12,
mit einen ersten Hohlraum 14 und mindestens einer Öffnung 16,
der ein Meßelement
und ein Referenzelement eines kalorimetrischen Gassensors 18 aufweist.
Das erste Gehäuse 12 kann
rechteckig sein und aus keramischen Materialien hergestellt werden. Das
erste Gehäuse 12 hat
mindestens eine Öffnung 16 durch
das keramische Material, um es dem brennbaren Material zu ermöglichen,
einzudringen und auf das Meßelement
und das Referenzelement des kalorimetrischen Gassensors 18 aufzutreffen.
Die Öffnung 16 kann
jede geeignete Form haben. Die Größe der Öffnung 16 im ersten
Gehäuse 12 ist
so optimiert, daß sie
einen ausreichenden Fluß brennbaren
Materials in den ersten Hohlraum 14 ermöglicht, um eine gewünschte Sensorempfindlichkeit
zu erzielen, während
zur gleichen Zeit der O2 Fluß minimiert
wird, der aus dem ersten Gehäuse 12 in
den Gasstrom entweicht, wenn die Komposition eines solchen Gasstroms
fett ist. In der bevorzugten Ausführungsform ist die Öffnung eine
runde Öffnung
mit einem Durchmesser im Bereich von 0,1 Millimeter bis 1 Millimeter. Jede
Form oder Größe, die
hier dargestellt ist, basiert auf dem dargestellten Beispiel und
kann entsprechend der Größe der Vorrichtung
und der Charakteristika des Katalysators variieren. Die Öffnung 16 kann
auch ein Schlitz oder jedes andere geeignete Mittel sein, um die
Verbindung zwischen dem ersten Hohlraum 14 und der ankommenden
Gasmischung 32 herzustellen.
-
Die erfindungsgemäße Vorrichtung beinhaltet,
wie weiterhin in 2 gezeigt,
auch ein zweites oder Referenzgehäuse 20 mit einem zweiten
Hohlraum 22, der eine Sauerstoffreferenzatmosphäre enthält. Als
Sauerstoffreferenzatmosphäre
wird hier eine Atmosphäre
definiert, die eine vorbestimmte Sauerstoffkonzentration als O2 Quelle hat. Zum Beispiel ist Luft eine
geeignete Referenzatmosphäre.
-
Der Verbindungsbereich zwischen dem
ersten Gehäuse 12 und
dem zweiten oder Referenzgehäuse 20 weist
eine sauerstoffleitende Membran 26 auf. Die Wand den ersten
und zweiten Hohlraum 14, 22, trennende Wand, besteht
vorzugsweise aus Aluminiumoxid mit einer darin eingebetteten sauerstoffleitenden
ZrO2 Membran 26 im Verbindungsbereich. Der
zweite Hohlraum 22 ist mit der Umgebungsluft verbunden.
Alternativ kann die ganze Wand aus ZrO2 bestehen.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform – wie in 2 dargestellt – ist ein
Elektrodenpaar 28 auf der leitenden Membran 26 angebracht,
das Elektrodenpaar besitzt je eine Elektrode auf den gegenüberliegenden
Seiten der Membran 26, die sich damit im ersten bzw. zweiten
Hohlraum 14, 22, befinden. Das Elektrodenpaar
besteht vorzugsweise aus einem Material mit niedriger katalytischer
Aktivität,
so daß auf ihm
nur eine zu vernachlässigende
Oxidation des brennbaren Materials stattfindet. Die leitende Membran 26 und
das Elektrodenpaar 28 bilden eine elektrochemische Feststoffzelle 30.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
kann, durch Anlegen einer geeigneten Vorspannung an die elktrochemische Zelle,
ein Sauerstofffluß entweder
in oder aus dem ersten Hohlraum 14 gepumpt werden, um die
Sauerstoffkonzentration darin zu modulieren. Zusätzlich kann eine Heizvorrichtung
in der Vorrichtung 10 enthalten sein, um die Vorrichtung 10 auf
der gewünschten
Temperatur zu halten.
-
Im Betrieb und nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
ist die Sauerstoffkonzentration im Hohlraum 14 zwischen
im wesentlichen Null und einem Konzentrationsniveau, das höher ist
als der stöchiometrische
Wert der Gasmischung im Hohlraum 14, moduliert. Dies bewirkt
einen modulierten Sensorausgang, da der Mikrokalorimeterausgang
auf Null reduziert ist, wenn die Sauerstoffmenge in der Gasmischung,
die auf den Sensor auftrifft, Null ist. Zusätzlich ist dieses Wechselstromsignal
weitgehend von der Drift der Nullpnktverschiebung unabhängig , was
eine Zunahme der Genauigkeit des kalorimetrischen Gassensors 18 zur
Folge hat.
-
Zusätzlich wird erfindungsgemäß ein Verfahren
zur Modulation des Sauerstofflusses, der auf den kalorimetrischen
Gassensor 18 auftrifft, zur Verfügung gestellt. Das Verfahren
umfaßt
Einschließen des
Meßelementes
und des Referenzelementes eines kalorimetrischen Gassensors in ein
erstes Gehäuse 12 mit
einem ersten Hohlraum 14 mit mindestens einer Öffnung 16,
um es dem brennbaren Material zu ermöglichen, einzudringen und auf
das Meßelement
und das Referenzelement aufzutreffen. Das Verfahren beinhaltet ebenfalls
den Schritt des Einführens
eines zweiten oder Referenzgehäuses 20 mit
einem zweiten Hohlraum 22 mit mindestens einer Öffnung 24,
im Eingriff mit dem kalorimetrischen Gassensor 18. Der
Verbindungsbereich weist eine sauerstoffleitende Membran 26 auf.
Ein Elektrodenpaar 28 ist auf der leitenden Membran 26 angebracht
und besitzt jeweils eine Elektrode auf den beiden Seiten der Membran 26 und
im ersten bzw. zweiten Hohlraum 14, 22.
-
Das Verfahren beinhaltet ferner das
Anlegen eines modulierten Stromes oder einer modulierten Spannung
an das Elektrodenpaar, um die O2 Konzentration
der Gasmischung 32 im ersten Hohlraum 14 auf ein
gewünschtes
hohes Niveau und einen Wert, der im wesentlichen Null ist, zu modulieren,
um ein moduliertes Ausgangssignal vom kalorimetrischen Gassensor
zu erzeugen. Zuletzt wird der Sensorausgang unter Verwendung von
beispielsweise phasenabhängiger
Detektionstechniken gemessen.
-
Beispiele
-
In diesem Beispiel wird CO als brennbares Material
verwendet, obwohl das gleiche Modell auch für Kohlenwasserstoffe geeignet
ist. In diesem Beispiel, basierend auf den Charakteristika des Katalysators
und der Größe des Sensors,
hat der Hohlraum die Form eines Kastens mit einer Grundfläche von
6 × 10
mm2 und einer Höhe von 1 mm. Dieser hohlraum kann
einen mikrokalorimetrischen Sensor in Form einer dünnen Platte
mit den Dimensionen 6 × 6
mm2 aufnehmen. Es könnte auch ein kleinerer Hohlraum verwendet
werden, wenn die Sensorabmessungen proportional reduziert sind,
zum Beispiel 3 × 3
mm2, eine Größe, die für die Produktion geeignet ist.
-
Der durch die ZrO2 Zelle 30 O2 pumpende elektrische Strom ist moduliert
zwischen einem vorherbestimmten positiven Wert (entsprechend dem Pumpen
eines vorherbestimmten Sauerstoffflusses aus der Referenzatmosphäre in Hohlraum 14)
und einem vorherbestimmten negativen Wert (entsprechend dem Pumpen
allen Sauerstoffs aus Hohlraum 14 in die Referenzatmosphäre). Um
Modulationsfrequenzen in der Größenordnung
von 10 Hz zu erreichen, so daß das
Ansprechen der Vorrichtung in der Größenordnung von 1 sec bleibt,
muß das
Volumen im Hohlraum im Bereich zwischen eins bis ein Zehntel des
Volumens äquivalent
zu der Zahl der Moleküle brennbaren
Materials, die in einer Sekunde reagieren, zu halten. Diese Bedingung
ist leicht erreicht, weil die Mikrokalorimeterstruktur klein ist.
-
Der Modulationstyp kann aus mehreren
geeigneten Wellenformen ausgewählt
werden, zum Beispiel eine Rechteckwelle oder eine sinusförmige Wellenform.
Der positive Wert der Amplitude IP des modulierten
Stromes kann bestimmt werden, sobald der Bereich der möglichen
Konzentrationen im Gasgemisch 32 und die gewünschte Empfindlichkeit
der Vorrichtung bekannt ist. Einige Beschränkungen sind bereits genannt
worden: beispielsweise kann dieser positive Strom IP nicht
den Maximalwert überschreiten,
den die elktrochemische Zelle 30 zur Verfügung stellen
kann; ebenso kann der O2 Fluß, der durch
den Strom IP transportiert wird, nicht den
maximalen O2 Fluß überschreiten, den die Referenzatmosphäre liefern
kann. Der negative Wert der Amplitude IN des modulierten
Stromes kann bestimmt werden, sobald der Maximalwert der O2 Konzentration in Gasmischung 32 bekannt
ist.
-
3 zeigt,
als Erläuterung
der Erfindung, schematisch das Ansprechen einer kalorimetrischen Vorrichtung
auf zwei unterschiedliche CO Konzentrationen (1000 ppm und 2000
ppm) in Gasmischung 32 für eine Rechteckwellen-Modulation
des elektrischen Stroms der elektrochemischen Zelle 30 bei
einer Frequenz von 10 Hz. Bei diesem Beispiel wird angenommen, daß sich nur
die CO Konzentration im Gasgemisch 32 ändert. Es wird angenommen,
daß die
Ansprechcharakteristika dieser kalorimetrischen Vorrichtung auf
CO und O2 wie sie in 1 gezeigt sind. 3a zeigt die Wellenform des elektrischen Stroms,
während 3b die resultierende o2 Konzentration im Hohlraum 14 zeigt. 3c zeigt den Ausgang der
kalorimetrischen Vorrichtung für
zwei CO Konzentrationen (1000 ppm und 2000 ppm) als Funktion der
Zeit, wenn die Nullpunktverschiebung der Vorrichtung positiv ist. 3d zeigt schematisch den
modulierten Ausgang der kalorimetrischen Vorrichtung für die beiden
gleichen Konzentrationen brennbaren Materials, wenn die Nullpunktverschiebung
Null ist. Aus diesen Figuren ergibt sich, daß die Wechselstromkomponente
des Ausgangs der kalorimetrischen Vorrichtung bei der Modulationsfrequenz unabhängig vom
Wert der Nullpunktverschiebung ist. Weiterhin wird das Rauschen
der Vorrichtung, das durch den zeitabhängigen Unterschied in den „Hintergrund"- Temperaturen des
Meßelementes
und des Kompensationselementes der kalorimetrischen Vorrichtung
bewirkt wird, stark reduziert durch Messen des Ausgangs bei 10 Hz
mit einer kleinen Bandbreite, zum Beispiel 1 Hz.
-
In einer weiteren Ausführungsform
kann, anstatt die Wechselstromkomponente des Sensorausgangs bei
der Modulationsfrequenz ω zu
messen, auch die Komponente des Sensorausgangs bei einer Oberschwingungsfrequenz
gemessen werden; statt dessen kann eine Gleichstrommessung des Sensorausgangs
durchgeführt
werden, wenn sich der Modulationsstrom bei seinem positiven Maximalwert
befindet, und eine ähnliche
Messung, wenn der Modulationsstrom sich bei seinem negativen Maximalwert
befindet, und dann die beiden gemessenen Werte subtrahiert werden.
Offensichtlich ist die Erfindung nicht nur auf kalorimetrische Gassensoren
anwendbar, sondern auch auf andere Gassensoren, deren Ansprechen ähnlich von
der O2 Konzentration abhängt. Selbst wenn die O2 Abhängigkeit
solch anderer Gassensoren unterschiedlich ist, ist es höchstwahrscheinlich
möglich,
eine Methode zur O2 Konzentrationsmodulation
analog zu der in dieser Erfindung beschriebenen zu entwickeln, und
so dieselben Vorteile einer verbesserten Nachweisgrenze und einer
Eliminierung des Effektes der Drift der Nullpunktverschiebung zu
erreichen.
-
- 10
- Vorrichtung
- 12
- erstes
Gehäuse
- 14
- erster
Hohlraum
- 16
- Öffnung
- 18
- kalorimetrischer
Gassensor
- 20
- zweites
Gehäuse;
Referenzgehäuse
- 22
- zweiter
Hohlraum
- 24
- Öffnung
- 26
- sauerstoffleitende
Membran
- 28
- Elektrodenpaar
- 30
- elektrochemischen
Zelle
- 32
- Gasmischung