DE2239285C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Messen der Brennstoff- und Sauerstoffanteile eines Gases - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Messen der Brennstoff- und Sauerstoffanteile eines Gases

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen der Brennstoff- und Sauerstoffanteiie eines Gases, bei dem (in einer Verbrennungseinrichtung) eine Reaktion zwischen den Brennstoff- und Sauerstoffanteilen stattfindet und gleichzeitig ein Elektrosignal erzeugt wird.
Aus der DE-OS 19 42 097 ist ein Abgasanalysator für Verbrennungsmotoren bekannt, bei dem zur Abgasanalyse gleichzeitig zwei unterschiedliche Meßverfahren angewendet werden. Gemäß einem ersten Meßverfahren ist ein von dem zu analysierenden Gas umspülter Heizdraht vorhanden, der je nach Wärmeleitfähigkeit des vorbeifließenden Gasgemisches unterschiedlich abgekühlt wird und dabei einen unterschiedlichen Durchlaßwiderstand zeigt, der mit Hilfe einer Meßbrükke ermittelt werden kann. Zur Durchführung des zweiten Meßverfahrens wird ebenfalls ein Heizdraht vorgesehen, der von dem zu analysierenden Gas umspült wird. Jedoch wird hier der Draht so stark erhitzt, daß noch eventuell vorhandene brennbare Bestandteile der Abgase bei Zuführung von Luft katalytisch verbrennen. Wenn die Gemischzusammensetzung unter dem stöchiometrischen Punkt liegt und das dem Motor zugeführte Gemisch somit zu fett ist, so daß das Abgas unverbrannte Brennstoffanteile enthält.
werden diese am Heizdraht verbrannt und führen zu einer zusätzlichen Erhitzung des Drahtes, wobei diese erhöhte Temperatur wiederum durch eine Meßbrücke ermittelt und als Anzeige für den unverbrannten Brennstoffanteil kalibriert werden kann.
Die beiden unterschiedlichen Meßverfahren lassen sich gemäß dieser Druckschrift mittels einer elektrischen Brückenschaltung derart vereinigen, daß die Signalspannung abhängig ist vom Verhältnis zwischen Luft und Brennstoff, wobei sich unterhalb des stöchiometrischen Punktes eine größere Kennliniensteigung ergibt als oberhalb dieses Punktes. Dies liegt daran, weil unterhalb des stöchiometrischen Punktes beide Meßverfahren zu einem Signalanteil führen, oberhalb jedoch nur noch das auf der Wärmeleitfähigkeit beruhende Meßverfahren. Diese Meßverfahren sind jedoch verhältnismäßig ungenau und führen daher zu Meßsignalen, die für viele Anwendungsfälle nicht mehr geeignet sind.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens und einer Vorrichtung der eingangs genannten Art, die eine wesentlich genauere Ermittlung der Brennstoff- und Sauerstoffanteiie eines Gases ermöglichen.
Gelöst wird diese Aufgabe hinsichtlich des Verfahrens gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1, hinsichtlich der Vorrichtung gemäß den Merkmalen der Ansprüche 2—5.
Dadurch, daß nicht mit dem nur verhältnismäßig ungenauen Wärmeleitmeßverfahren gearbeitet wird, «> sondern stattdessen auf den jeweils kleineren Anteil (Brennstoff oder Sauerstoff) die Messung abgestellt wird, ergibt sich eine wesentlich größere Genauigkeit als beim Stand der Technik. Als Meßgrundlage dienen neben dem katalytisch arbeitenden Verbrennungsmeß- r> gerät gemäß einer Weiterbildung der Erfindung elektrochemische Festkörper-Elektrolytzellen, von denen eine als Sauerstofftitrationszelle und die andere als Sauerstoffmeßzelle arbeitet, wobei die letztgenannte Zelle im Gleichgewichtszustand das Sauerstoffpotential 4" des Probegases mißt und ein elektrisches Ausgangssignal erzeugt, das entweder den Sauerstoffüberschuß oder den Brennstoffüberschuß im Probegas angibt. Wenn das Probegas einen Überschuß an Sauerstoff gegenüber einem vorbestimmten Wert enthält, mißt die ■»> Sauerstoffmeßzelle den nach der vollständigen Verbrennung verbliebenen Sauerstoff und erzeugt ein hierfür signifikantes elektrisches Signa!. Wenn jedoch in dem Probegas ein Brennstoffüberschuß vorliegt, erzeugt die Sauerstoffmeßzelle ein elektrisches Signal, ">" daß der Sauerstofftitrationszelle als Rückkopplungssignal zugeführt wird, um so die Zufuhr von Sauerstoff in den Strom des Probegases in einer Menge zu bewirken, welche die vollständige Verbrennung sicherstellt. Unter diesen Umständen arbeitet die Sauerstoffmeßzelle >> derart, daß sie den Sauerstofftitrationsvorgang mißt und durch eine geeignete Rückkopplungsschaltung diesen Vorgang beendet, sobald ein vorbestimmter Wert erreicht ist. Von dem Verbrennungsmeßfühler, der Sauerstofftitrationszelle und der Sauerstoffmcßzelle *>o erzeugte elektrische Signale werden durch geeignete Schaltungseinrichtungen 50 verarbeitet, daß der Sauerstoffgehalt wie auch der Brennstoffgehalt des Probegases angezeigt werden.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines *» Ausführungsbeispieles in Verbindung mit der Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigt
Fig. 1 ein Diagramm einer Ausführungsform der Erfindung;
Fig.2 ein besonderes Differenz-Thermopaar zur Verwendung in dem Verbrennungsmeßgerät nach F i g. 1 und
F i g. 3 ein Diagramm des Betriebs des Verbrennungsmeßgerätes der F i g. 2 für verschiedene Mischverhältnisse von CO/O2/N2.
Gemäß F i g. 1 weist eine kombinierte Brennstoff- und Sauerstoffanalysevorrichtung 1 ein Brennstoffmeßgerät 10, eine Festkörper-Elektrolyt-Sauerstofftitrationszelle 20 und eine Festkörper-Elektrolytzelle 40 zur Messung des Sauerstoffs auf, um die Sauerstoff- und Brennstoffkonzentrationen eines Probegases zu messen, die vom Ofenkamin Fdurch das Gasprobesystem 5 abgeleitet sind. Die Gasprobe wird gleichmäßig durch die Rohre 7Ί und 7*2 unterteilt und im Gegenstrom gegenüberliegenden Enden eines Verbrennungs-Meßfühlers 10 mit im wesentlichen konstanter Strömungsgeschwindigkeit durch Strömungsregie! 2 und 4 zugeführt Der Verbrennungs-Meßfühler 10 weist ein Meßfühlelement 12 mit einem katalytischen Thermopaar und ein Heizelement 14 auf. Das Meßfühleier-,ent 12 spricht auf die bei der katalytisch heterogenen Reaktion zwischen dem Brennstoff und dem Sauerstoff des Probegases abgegebene Wärme durch Erzeugung einer Spannung an, welche durch den Spannungsmeßkreis 16 gemessen wird. Das Heizelement 14 hält eine geeignete Temperatur aufrecht, um die gewünschte Reaktion sicherzustellen. Das durch die Spannungsmeßkreise 16 gemessene Signal zeigt den Gesamtgehalt des kleineren Anteils des Probegases an. Beispielsweise gibt dieses Signal den gesamten Brennstoffgehalt des Probegases bei Sauerstoffüberschuß an, und es gibt den gesamten Sauerstoffgehalt des Probegases an, wenn Brennstoffüberschuß vorliegt.
Eine bevorzugte Ausführungsform des Meßfühlelementes 12 mit einem katalytischen Thermopaar ist in Fig.2 dargestellt. Es sind zwei Gruppen von in Reihe geschalteten Thermopaaren 7Γ1 und TC2 vorgesehen, die typischerweise aus Platin- Platin/Rhodium bestehen und an jedem Ende eines Zylinderaufbaus angeordnet und den geteilten Gasströmen der Rohre Ti bzw. Tl ausgesetzt sind. Die Verbindungsstellen der die Gruppe TCl umfassenden Thermopaare sind mit einer Schicht aus einem nicht-katalytischen Material NC, beispielsweise Keramikmaterial beschichtet, während die Verbindungsschichten der Thermopaare der Gruppe TC2 mit einer Schicht aus einem katalytischen Material C, beispielsweise Platin beschichtet sind. Die katalytische Beschichtung C ergibt einen beträchtlichen Reaktionsbereich und stellt eine optimale Reaktion zwischen den Bestandteilen dieses Anteils des durch das Rohr 7*2 abgeteilten Probegases sicher. Die Verwendung der nicht-katalytischen Beschichtung /VCzur Unterbindung der Reaktion zwischen den Bestandteilen des durch das Rohr Tt fließenden Anteils macht diesen Anteil des Probegases zum Peferenzgas. Diese Refirenzmenge stärkt die relative Höhe des Signals, welches durch die Oberflächenreaktion der katalytischen Beschichtung C erzeugt wird.
In Fig.3 ist .dr verschiedene Mischungen von CO/O2/N2 die elektrische Ausgangsspannung des katalytischen Thermopaar-Meßfühlelementes 12 dargestellt.
Nach der Reaktion in dem Verbrennungsmeßfühler 10 wird das Probegas durch einen Sauerstoffanalysator OA geleitet, der eine elektrolytische Festkörperzelle 20 zur Sauerstofftitration aufweist, welche das Gleichgewicht des Probegases herstellt, in dem die Bestandteile
des in dem Rohr TI strömenden Anteils des Probegases vollständig zur Reaktion gebracht werden. Der Analysator OA weist außerdem eine elektrolytische Festkörperzelle 40 zur Sauerstoffmessung auf. Eine Brennstoffkammer 13 zwischen dem Meßfühleletnent 12 und der Zelle 20 kann dazu verwendet werden, um die Reaktion des in dem Rohr T\ strömenden Probegases sicherzustellen.
Die Zelle 20 weist einen an den Enden offenen rohrförmigen Elektrolytfestkörper 21 aus einem Material auf, das Sauerstoffionen gut leitet und Elektronen nur in vernachlässigbarem Maß leitet, sowie eine äußere, Elektronen leitende Elektrode 22 und eine innere, Elektronen leitenden Elektrode 24. Festkörper Elektrolytzusammensetzungen mit der gewünschten Leitfähigkeit für Sauerstoffionen sind beschrieben in US-PS 34 00 054. Die Anordnung mit den offenen Enden und den inneren und äußeren Elektroden, welche typischerweise aus Platin bestehen, ist beschrieben in US-PS 33 47 767. Die Elektroden 22 und 24 haben die Form dünner Schichten, die sich in engem Kontakt mit der Elektrolytfläche befinden. Es ist erforderlich, daß das Elektrodenmaterial zusätzlich zu der hohen elektrischen Leitfähigkeit die Diffusion der Sauerstoffionen unterstützt und auch in dem Temperaturbereich von 600cC—9000C der typischen Elektrolyt-Sauerstoff-Festkörperzellen geeignet ist.
Es sind elektrische Heizelemente 26 um die elektrolytische Sauerstofftitrationszelle 20 angeordnet, um die Zellenanordnung auf der gewünschten Betriebstemperatur nach Maßgabe des Heizregelkreises 28 zu halten. Die Zusammensetzung und der Aufbau der Elektrolytfestkörperzelle 40 zur Sauerstoffmessung ist identisch mit demjenigen der Zelle 20 und wird daher nicht im einzelnen erläutert. Die Zelle 40 wird auf der gewünschten Betriebstemperatur durch das Heizelement 46 und den Heizregelkreis 48 gehalten. Die in den vorgenannten US-Patenten beschriebene Betriebsweise der Zsüs 40 entspricht einer ^slYsmschsn Zelle in dem eine elektromotorische Kraft als Funktion des Unterschiedes in der Sauerstoffkonzentration zwischen dem in den Innenelektroden strömenden Probegas und einem Sauerstoffreferenzmedium bekannter Sauerstoffkonzentration, beispielsweise Luft, erzeugt wird, die sich im Kontakt mit der Außenelektrode befindet Die zwischen den Elektroden der Zelle 40 erzeugte elektromotorische Kraft wird über elektrische Leiter 62 und 64 an die Spannungsmeßschaltung 60 übertragen. Wenn das Probegas reich an Sauerstoff ist, so daß Sauerstoff nach den Reaktionen in dem Meßfühler 10 und der Zelle 20 verbleibt, ist die durch die Meßschaltung 60 gemessene elektromotorische Kraft bzw. Spannung Vür den überschüssigen Sauerstoff in dem Probegas repräsentativ. Typische Spannungsmessungen für den überschüssigen Sauerstoff ergeben Spannungen im Bereich von 0-20OmV. Wenn jedoch das Probegas einen Überschuß an Brennstoff hat, wird der Sauerstoff in dem Probegas vollständig während der , Reaktionen verbraucht und der Sauerstoffunterschied an dem Feststoffelektrolyten der Sauerstoffmeßzelle 40 ist beträchtlich größer als bei Sauerstoffüberschuß, und dies führt zur Erzeugung einer Spannung von typistherweise mehr als 800 mV. Der Übergang κι zwischen einem Probegas mit Brennstoffüberschuß und einem Probegas mit Sauerstoffüberschuß erfolgt durch einen plötzlichen Wechsel der Ausgangsspannung der Meßzelle 40 zwischen Werten über 800 mV und Werten unter 200 mV.
ι ·, Falls die durch die Sauerstoffmeßzelle 40 erzeugte Spannung einen bestimmten zwischen 200 mV und 800 mV gewählten Wert übersteigt, der einen Überschuß an Brennstoff anzeigt, wird von der Meßschaltung 60 an einen Gleichspannungs-Erregerkreis 50 ein .'ei RUckkopplungssignal FS abgegeben, das wiederum dem Rückkopplungssignal FB entspricht, indem eine Gleichspannung an den elektrischen Leitungen 52 und 54 auftritt, die mit den inneren und äußeren Elektroden 22 bzw. 24 der Zelle 30 verbunden sind. Die Größe des .»■> Potentials ist proportional dem Unterschied zwischen der durch die Meßzelle 40 erzeugten Spannung und dem vorbestimmten Wert. Die Polarität der an die Elektroden 22 und 24 der Sauerstofftitrationszelle anliegenden Spannung gibt einen Sauerstoffstrom von jo dem S-djerstoffreferenzmedium in den Probegasstrom. Dieser Sauerstoffpumpvorgang geht weiter, bis der Sauerstoffgehalt des Probegases durch die Sauerstoffmeßzelle 40 gemessen ist, um ein vorbestimmtes Verhältnis zwischen den Brennstoffen und dem J5 Sauerstoff zu erreichen, so daß eine vollständige Verbrennung sichergestellt wird. Dieser durch ein Amperemeter A gemessene Pegel der Sauerstoffkonzentration des Sauerstoffstromes ist daher ein direktes Maß für die überschüssigen Brennstoffe in dem Probegas.
Das elektrische Ausgangssignal vom Verbrennungsmeßfühler 10, welches den Gesamtgehalt des geringeren Bestandteiles des Probegases angibt, das elektrische Ausgangssignal der Sauerstoffmeßzellenanordnung 40, welches den überschüssigen Sauerstoff angibt, und das den überschüssigen Brennstoff angebende Meßsignal werden einer Rechenschaltung 70 zugeführt, um Messungen des gesamten Sauerstoff- und Brennstoffgehaltes des Probegases zu ergeben. Diese Meßergebnisse werden wiederum zur Regelung eines Brennstoff/ Sauerstoffversorgungssystemes 80 verwendet, um das gewünschte Brennstoff/Sauerstoffverhältnis in <-:nem Brenner 5 des Ofens Fzu erhalten.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

1 Patentansprüche:
1. Verfahren zum Messen der Brennstoff- und Sauerstoff anteile eines Gases, bei dem eine Reaktion zwischen den Brennstoff- und Sauerstoffanteilen und gleichzeitig ein Elektrosignal erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Reaktion jeweils der kleinere Anteil im wesentlichen verbraucht und ein erstes elektrisches, die Menge des kleineren Anteils anzeigendes Signal erzeugt wird, ein zweites, den überschüssigen Sauerstoff als den größeren Bestandteil anzeigendes elektrisches Signal erzeugt wird, falls die Menge des Sauerstoffanteils die des Brennstoffanteils überwiegt, und ein drittes, den überschüssigen Brennstoff als überwiegenden Anteil anzeigendes elektrisches Signal erzeugt wird, falls die Menge des Brennstoffanteils die Menge des Sauerstoffanteils übersteigt, in das sich aus der Reaktion ergebende Gas Sauerstoff aufgrund des dritten elektrischen Signals eingeführt und ein Abschluß der weiteren Reaktion zwischen den Mecgen der überschüssigen Brennstoff- und der zugeführten Sauerstoffanteiie bewirkt und ein viertes elektrisches Signal erzeugt wird, das die Menge des eingeführten Sauerstoffs anzeigt, und daß erstes, zweites und viertes elektrisches Signal zur Erzeugung von elektrischen Signalen dienen, die den gesamten Sauerstoff und die gesamten Brennstoffe in dem Gas von der Reaktion anzeigen.
2. Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß eine Verbrennungseinrichtung (10), in der die Reaktion zwischen ;'em Brennstoff- und Sauerstoffanteil stattfindet, wobei die Vorrichtung den jeweils kleineren Anteil >m wesentlichen verbraucht und das erste elektrische Signal : V16) 3-1-. Maß für die Menge des kleineren Anteils erzeugt, eine Meßeinrichtung (40,60), die das aus der Reaktion resultierende Gas anzeigt und das zweite elektrische Signal erzeugt, welches den überschüssigen Sauerstoff als den überwiegenden Anteil angibt, falls die Menge des Sauerstoffanteils die Menge des Brennstoffanteils übersteigt, und das dritte elektrische Signal (A) erzeugt, welches den überschüssigen Brennstoff als überwiegenden Anteil angibt, falls ein Brennstoff-Überschuß gegenüber dem Sauerstoffanteil vorliegt, eine Sauerstofftitrationseinrichtung (20), die auf das dritte elektrische Signal (/4,7 anspricht und Sauerstoff in das bei der Reaktion entstehende Gas in ausreichender Menge einführt, so daß das vorbestimmte Verhältnis zwischen den durch die Meßeinrichtung gemessenen Mengen der Brennstoff- und Sauerstoffanteiie hergestellt wird, welche Sauerstofftitrationseinrichtung das vierte, für die Menge des in das Gas eingeführten Sauerstoffs signifikante elektrische Signal erzeugt, und durch eine Einrichtung (70), die auf die ersten, zweiten und vierten elektrischen Signale anspricht und die elektrischen Signale erzeugt, welche den gesamten Sauerstoff und die gesamte Brennstoffmenge angeben, die vor der Reaktion in dem Gas vorhanden waren.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (TX, 7"2) zum Unterteilen des Gasstroms vor der Reaktion in einen ersten und einen zweiten Gasstrom und zur Zuführung des ersten und zweiten Gasstroms im Gegenstrom in eine Verbrennungseinrichtung (10) vorgesehen ist, daß die Verbrennungseinrichtung
(10) ein katalytisches Thermopaar (12) mit einer (C) dem ersten Gasstrom ausgesetzten katalytischen Oberfläche und einer (NC) dem zweiten Gasstrom ausgesetzten nicht-katalytischen Oberfläche aufweist, und daß die Reaktion an der katalytischen Oberfläche stattfindet und eine Einrichtung (13) zur im wesentlichen vollständigen Reaktion der Sauerstoff- und Brennstoffanteile des zweiten Gasstroms vorgesehen ist
4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, d.idurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung (40, 60) eine elektrochemische Festkörperelektrolytzelle mit hoher Ionenleitfähigkeit und vernachlässigbarer Elektronenleitfähigkeit und die Sauerstofftitrationseinrichtung (20) eine zweite elektrochemische Elektrolytfestkörperzelle mit guter Ionenleitfähigkeit und vernachlässigbarer Elektronenleitfähigkeit aufweist, und daß eine Rückkopplungsschaltung (62. FB, 50, 52) zwischen Meßeinrichtung (40, 60) und Sauerstofftitrationseinrichtung (20) vorgesehen ist, die an die Sauerstofftitrationseinrichtung (20) eine Gleichspannung nach Maßgabe des dritten elektrischen Signais abzugeben in der Lage ist, so daß die Sauerstofftitrationseinrichtung (20) als Sauerstoffpumpe arbeitet
5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet daß die Verbrennungseinrichtung (12) einen ersten Satz Thermopaaranschlüsse (TCT) aufweist, der in einer zu dem ersten Gasstrom (T2) senkrechten Ebene angeordnet ist, und diese Thermopaaranschlüsse (TC2) mit einem katalytischen Material unter Ausbildung einer katalytischen Oberfläche (C) beschichtet sind, und einen zweiten Satz Thermopaaranschlüsse (TCi) in einer im wesentlichen zu dem zweiten Gasstrom (Ti) senkrechten Ebene aufweist und die zweiten Thermopaaranschlüsse (TC2) mit einem nicht-katalytischen Material eine nicht-katalytische Oberfläche (NC) auszubilden.
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