DE3405576C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Messung des Sauerstoffgehalt eines Gases.

Derartige Vorrichtungen sind aus zahlreichen Druckschriften bekannt.

Die DE-OS 24 31 677 offenbart eine Meßvorrichtung, die einen abgeschlossenen Meßraum aufweist, der durch eine Diffusionsschicht mit der zu messenden Atmosphäre verbunden ist. Der Meßraum füllt sich in einer relativen langen Füllzeit t_v mit dem zu erfassenden Gas, das durch die Diffusionsschicht hineindiffundiert. In einer anschließenden, relativ kurzen Zeit t_p wird der Meßraum mittels einem als Pumpe wirkenden Elektrodenpaar leergepumpt. Die beiden Elektroden sind dabei auf beiden Seiten eines Festkörperelektrolyts angebracht, so daß die eine Elektrode dem Meßraum zugewandt ist, während die andere Elektrode außerhalb des Meßraumes angebracht ist, wobei gemäß Seite 5, Zeile 5 der obigen Schrift keine Referenzatmosphäre benutzt oder benötigt wird. Die dort über das erste Elektrodenpaar hinaus vorgesehenen Elektroden dienen zur Steuerung der Meßvorrichtung.

Die DE-OS 26 31 819 zeigt ein Elektrodenpaar, welches einem zu untersuchenden Gas ausgesetzt wird. Mindestens eine Elektrode ist dabei katalytisch. Zum Messen unterschiedlicher Gaskomponenten werden mehrere Elektrodenpaare verwendet, oder es wird mit unterschiedlichen Gleichspannungen an einem einzigen Elektrodenpaar gearbeitet. Hohe Gaskomponentengehalte werden zur Meßerfassung durch Beimischung von inerten Gasen (z. B. Stickstoff) erniedrigt. Dabei kann ein Hohlkörper im Meßgas vorhanden sein, an dessen Innen- und Außenseite jeweils eine Elektrode angeordnet ist. Der Innenraum des Hohlkörpers ist über zwei Drosselöffnungen mit dem Meßgas verbunden.

Die DE-OS 29 22 218 zeigt ein Elektrodenpaar, dessen eine Elektrode einem Meßgas und dessen andere Elektrode einem Bezugsgas ausgesetzt ist. Die beiden Elektroden sind sowohl mit einem Spannungsmeßkreis als auch einem Strommeßkreis verbindbar, wobei alternierend der Sauerstoffgehalt im mageren Bereich durch Spannungsmessung oder der Brennstoffanteil im fetten Bereich durch Strommessung bestimmt wird. Die Sauerstoffmessung erfolgt über das EMK-Prinzip (Nernst), während bei der Brennstoffmessung nur der Sauerstoffüberschuß, nicht aber der Sauerstoffgehalt ermittelt wird (Seite 7, oben).

Die DE-PS 29 28 496 zeigt ein Elektrodenpaar, bei dem entweder beide Elektroden oder nur eine Elektrode dem Meßgas ausgesetzt ist. Diese Druckschrift behandelt hauptsächlich die Ausbildung von Diffusionswiderständen in Form von unterschiedlichen Kanälen.

Die DE-OS 31 04 986 zeigt zwei Elektrodenpaare, die in unterschiedlichen Kombinationen am Festkörperelektrolyten angeordnet sein können. Das zweite Elektrodenpaar dient dabei der Kompensation von Alterserscheinungen und Temperaturänderungen. Die im Patentanspruch 1 und auf Seite 6 beschriebene Ausführungsform hat zwei gegensinnig angeordnete Elektrodenpaare, deren Kathoden dem Meßgas und deren Anoden dem Referenzgas ausgesetzt sind. Eine Pumpeinrichtung oder ein abgeschlossener Meßraum sind dort nicht vorgesehen.

Die DE-OS 30 20 132 zeigt zwei Elektrodenpaare an einem Festkörperelektrolyten. Die beiden Elektrodenpaare sind jeweils an eine Gleichstromquelle angeschlossen, und zwar gegensinnig. Ein jeweils zwischengeschaltetes Potentiometer erfaßt die elektromotorische Kraft als Maß für den Sauerstoffgehalt, wobei entweder die beiden Meßelektroden oder die beiden Bezugselektroden zusammengefaßt sein können. Der Sensor befindet sich dabei vollständig im Meßgas.

Die US 39 23 624 zeigt eine Meßvorrichtung mit gemeinsamer Bezugselektrode. Die vollständige Trennung zweier Elektrodenpaare und zwei unabhängige Stromkreise werden als mit Nachteilen behaftet abgelehnt. Darüber hinaus ist kein abgeschlossener Meßraum vorhanden.

Die DE-OS 27 52 530 zeigt eine Meßvorrichtung für brennbare Bestandteile eines Gases. Über eine Sauerstoffpumpe (24, 26) wird dort Sauerstoff von außen in einen abgeschlossenen Raum gepumpt. Dieser Sauerstoff dient dem Verbrennen von über eine Diffusionsöffnung eingeströmten brennbaren Bestandteilen. Als Maß für den Anteil an brennbaren Bestandteilen dient dort der Stromfluß. Durch Messung der EMK über ein zweites Elektrodenpaar (62, 64) kann festgestellt werden, ob die Atmosphäre im abgeschlossenen Raum reduziert oder oxidiert ist. Mit dem modifizierten Sensor gemäß Fig. 1B kann auch Sauerstoff gemessen werden, jedoch ist hier nur ein Elektrodenpaar vorgesehen.

Die nachveröffentlichte WO 85/00659 zeigt einen abgeschlossenen Raum zwischen zwei Elektrodenpaaren, von denen das eine Paar dem Abgas und das andere Paar dem Referenzgas und dem Abgas ausgesetzt ist. Das zweite Paar dient als Sauerstoffpumpe, wohingegen das erste Paar eine reine Spannungsquelle darstellt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Messen des Sauerstoffgehaltes eines Gases zu schaffen, die bei einem einfachen Aufbau eine Messung sowohl bei einem fetten wie auch bei einem mageren Kraftstoff-Luft-Verhältnis ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Maßnahmen auf besonders vorteilhafte Art und Weise gelöst.

Durch die Kombination eines Magersensors mit einem an sich bekannten Pumpsensor ist eine Messung nicht nur bei mageren Kraftstoff-Luft-Verhältnissen, sondern auch bei fetten Kraftstoff-Luft-Verhältnissen möglich.

Es hat sich gezeigt, daß, wenn mit den aus dem Stand der Technik bekannten Meßeinrichtungen eine Messung sowohl bei fettem als auch bei magerem Kraftstoff-Luft-Verhältnis durchgeführt werden soll, dort entsprechend dem jeweils vorliegenden Kraftstoff-Luft-Verhältnis die Polarität des Pumpsensors umgekehrt werden muß, um im einen Fall Sauerstoff in die Meßzelle hinein und im anderen Fall Sauerstoff aus der Meßzelle heraus zu pumpen. Die dafür notwendige Schaltung, die darüber hinaus nur eine geringe Meßgenauigkeit erlaubt, ist bei der erfindungsgemäßen Lösung nicht erforderlich, so daß die erfindungsgemäße Meßvorrichtung einen dementsprechend einfachen Aufbau aufweist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen bzw. nachfolgend:

Das rohrförmige Element kann aus verschiedenen Materialien bestehen, vorzugsweise soll er jedoch gemäß Anspruch 4 aus einem anorganischen Material, z. B. hitzebeständigem Keramikwerkstoff, sein.

Die Gasdispersionseinrichtung kann in üblicher Weise durch Auftreffen eines Laserstrahls auf das aus Keramik geformte rohrförmige Element oder durch Einbringen von z. B. Schnur oder anderen löslichen Werkstoffen in eine Masse aus rohem Keramikmaterial, das anschließend gesintert wird, gebildet werden.

Die Gasdispersionseinrichtung kann durch Ansetzen oder Verbinden eines keramischen Filters an bzw. mit einer Öffnung im rohrförmigen Element oder durch Herstellen einer porösen Keramikschicht auf einem grobporigen Keramikkörper mittels eines Plasmasprühvorgangs gefertigt werden.

Das rohrförmige Element kann die Gestalt eines zylindrischen oder winkligen Rohrs haben.

Wenn die Meßvorrichtung nicht in einer Umgebung von hoher Temperatur benutzt wird, dann wird der Festkörperelektrolyt durch eine im rohrförmigen Element befindliche Heizeinrichtung erhitzt, die z. B. aus einem rund um den Körper gewundenen Chrom-Nickel-Draht oder vorzugsweise aus einer in das rohrförmige Element eingebetteten Heizwicklung, so daß letzterer als ein keramischer Erhitzer wirkt, bestehen kann. Die Heizeinrichtung wird in der Nachbarschaft des Festkörperelektrolyten angeordnet.

Der für Sauerstoffionen durchlässige Festkörperelektrolyt kann von derjenigen Art sein, wie er in einer Meßvorrichtung zur Anwendung kommt, d. h. er kann vorzugsweise als eine ebene Platte aus Zirkoniumoxid, dem Yttriumoxid beigegeben ist, ausgebildet sein.

Die an den Flächen des Festkörperelektrolyten angebrachten Elektroden haben die Form von gasdurchlässigen dünnen Schichten aus Platin, die in üblicher Weise gefertigt werden. Die Elektroden sind in zwei Paaren vorgesehen und jeweils an gegenüberliegenden Seiten des plattenförmigen Festkörperelektrolyten gehalten. Die Elektroden in jedem Paar haben an den gegenüberliegenden Seiten des Festkörperelektrolyten jeweils eine zueinander gleiche Ausdehnung.

Der Anmeldungsgegenstand wird aus der folgenden, auf die Zeichnungen Bezug nehmenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen deutlich. Es zeigt

Fig. 1 ein Diagramm über die Beziehung eines stöchiometrischen Kraftstoff-Luft-Verhältnisses und eines Ausgangsstroms;

Fig. 2 eine abgebrochene Schnittdarstellung einer Vorrichtung zum Messen des Sauerstoffgehalts eines Gases in einer ersten Ausführungsform gemäß der Erfindung;

Fig. 3 eine Ansicht der an einem Festkörperelektrolyt angebrachten Elektroden;

Fig. 4 bis 6 zu Fig. 2 gleichartige Darstellungen in weiteren Ausführungsformen gemäß der Erfindung.

Bei herkömmlichen Meßvorrichtungen ist bei einem stöchiometrischen Kraftstoff-Luft-Verhältnis ihr Ausgangsstrom im wesentlichen gleich Null, wie die ausgezogene Linie A in der beigefügten Fig. 1 zeigt, und demzufolge können nur Kraftstoff-Luft-Verhältnisse im mageren Bereich erfaßt werden, was darauf beruht, daß die Sauerstoffdichte im Abgas bei dem stöchiometrischen Kraftstoff-Luft-Verhältnis im wesentlichen gleich Null ist.

Bei dem Kraftstoff-Luft-Verhältnisfühler gemäß der Erfindung wird durch den Pumpsensor aus der Atmosphäre eine konstante Sauerstoffmenge in das zu erfassende Gas, z. B. ein Abgas, das sich in dem zwischen der Dispersionseinrichtung und dem Festkörperelektrolyt bestimmten Meßraum befindet, eingeführt. Deshalb kann das Kraftstoff-Luft-Verhältnis, bei dem der Ausgangsstrom vom Magersensor Null ist, in den fetten Bereich verschoben werden. Zusätzlich kann das Kraftstoff-Luft-Verhältnis, bei dem der Ausgangsstrom vom Magersensor Null ist, nach Wunsch verändert werden, wie die gestrichelte Linie B in Fig. 1 zeigt, indem der durch den Pumpensensor fließende Strom erhöht oder vermindert wird. Demzufolge kann ein gewünschter Bereich, in dem ein Kraftstoff-Luft-Verhältnis erfaßt werden kann, ausgewählt werden.

Bei der in Fig. 2 gezeigten ersten Ausführungsform einer Sauerstoffgehaltmeßvorrichtung bzw. eines Kraftstoff-Luft-Verhältnisfühlers weist dieser ein zylindrisches, rohrförmiges Element 1, das aus einem Keramikmaterial gefertigt ist, auf. In einer geschlossenen Stirnwand 1′ oder einem Trennwandteil des Körpers 1 ist eine Gasdispersionseinrichtung 2 bestimmt. Im Element 1 ist ein scheibenförmiger Festkörperelektrolyt (Festelektrolyt) 3 aufgenommen, der Elektroden 4a, 4b, 5a und 5b trägt sowie ebenfalls als ein Trennwandteil dient.

Die Elektroden 4a, 4b, 5a sowie 5b haben eine halbkreisförmige Gestalt und sind, wie Fig. 2 und 3 zeigen, an gegenüberliegenden Flächen des Festelektrolyts 3 befestigt.

Die an der einen Fläche des Festelektrolyten 3 angeordneten Elektroden 4a, 4b sind der Gasdispersionseinrichtung bzw. dem Gasdispersionsloch 2 zugewandt, so daß zu prüfendes Gas, z. B. Abgas, mit diesen Elektroden 4a, 4b in Berührung gebracht wird. Die an der gegenüberliegenden Fläche des Festelektrolyten 3 angeordneten Elektroden 5a, 5b bleiben der Atmosphäre ausgesetzt. Wenigstens die mit dem Gas in Berührung kommenden Elektroden 4a, 4b sollen katalytisch aktive Elektroden einschließen.

Wie die Fig. 2 zeigt, sind die Elektroden 4a und 5a als Paar zusammengefaßt und über Leitungsdrähte 6a an eine Gleichstromquelle 7 mit konstantem Strom angeschlossen, womit ein Pumpsensor gebildet wird. Das andere Paar von Elektroden 4b und 5b ist ebenfalls über Leitungsdrähte 6b an eine Gleichstromquelle 8 mit konstanter Spannung sowie an eine Strommeßeinrichtung 9 angeschlossen, womit ein Magersensor gebildet wird.

Ferner ist, wie der Fig. 2 ebenfalls zu entnehmen ist, im zylindrischen, rohrförmigen Element 1 eine Heizeinrichtung 10, z. B. eine gewöhnliche keramische Heizeinrichtung, angeordnet, die über (nicht gezeigte) Leitungsdrähte an eine Stromquelle angeschlossen ist. Wenn es notwendig ist, die aus den Kennwerten des Fühlers rührenden Erfordernisse zu erfüllen, dann wird die Heizeinrichtung 10 zugeschaltet, um den Kraftstoff-Luft-Verhältnisfühler zu beheizen. Beispielsweise wird die Heizeinrichtung 10 dann in Betrieb genommen, wenn der Fühler eine geforderte Betriebstemperatur zum Zeitpunkt der erfassung von Abgas niedriger Temperatur, was aus der Verbrennung eines mageren Gemischs resultiert, nicht erreicht.

Der Kraftstoff-Luft-Verhältnisfühler mit dem vorbeschriebenen Aufbau stellt somit eine Kombination eines herkömmlichen Magersensors der Bauart mit einem feinen Loch (Nadelloch) und eines Pumpsensors dar.

Bei dem Kraftstoff-Luft-Verhältnisfühler gemäß der Erfindung fließt allzeit eine konstante Sauerstoffmenge durch die Elektrode 5a zur Elektrode 4a als ein Pumpsensor, und deshalb wird das zu prüfende Gas, das in den Raum durch das Gasdispersionsloch 2 eingetreten ist, zu einem mageren Zustand hin umgewandelt, selbst wenn es ursprünglich in einem fetten Zustand war. Somit kann der Magersensor das Kraftstoff-Luft-Verhältnis des in dem Raum zwischen dem Gasdispersionsloch 2 und dem Festelektrolyt 3 enthaltenen Gases erfassen. Das vom erfindungsgemäßen Kraftstoff-Luft-Verhältnisfühler festgestellte Kraftstoff-Luft-Verhältnis ist durch die gestrichelte Linie B in Fig. 1 angegeben. Wenn die in das Gas einzuführende Sauerstoffmenge vorherbestimmt wird, kann ein wahres Kraftstoff-Luft-Verhältnis des Gases durch Korrektur des Unterschieds zwischen dem Kraftstoff-Luft-Verhältnis B und einem durch einen üblichen Magersensor erfaßten sowie durch die ausgezogene Linie A in Fig. 1 angegebenen Kraftstoff-Luft-Verhältnis bestimmt werden.

Weitere Ausführungsformen von Kraftstoff-Luft-Verhältnisfühlern gemäß der Erfindung werden unter Bezugnahme auf die Fig. 4 bis 6 beschrieben.

Bei der zweiten, in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform hat der Kraftstoff-Luft-Verhältnisfühler zwei zueinander beabstandete Festelektrolyten 3a und 3b, wobei der Festelektrolyt 3a mit den Elektroden 4a und 5a als ein Pumpsensor oder ein Trennglied dient, während der Festelektrolyt 3b mit den Elektroden 4b und 5b als ein Magersensor dient. Ferner stellt der Festelektrolyt 3b eine geschlossene Stirnseite oder eine Trennwand eines zylindrischen, rohrförmigen Elements 1 dar und hat ein als ein Gasdispersionsteil wirkendes Gasdispersionsloch 2.

Die Fig. 5 zeigt eine dritte Ausführungsform eines Kraftstoff-Luft-Verhältnisfühlers, der ein zylindrisches, rohrförmiges Element 1 mit einem in einer Seitenwand von diesem ausgebildeten Gasdispersionsloch 2 hat.

Der Kraftstoff-Luft-Verhältnisfühler gemäß der vierten, in Fig. 6 gezeigten Ausführungsform weist eine in einer Stirnseite des zylindrischen, rohrförmigen Elements 1 angeordnete Gasdispersionseinrichtung 2′ auf.

Claims (6)

1. Vorrichtung zum Messen des Sauerstoffgehaltes eines Gases mit

• (a) einem rohrförmigen Element (1),
• (b) einem Festkörperelektrolyten (3; 3a, 3b), der das rohrförmige Element (1) in einen Meßraum und einen Bezugsraum teilt,
• (c) einer Gasdispersionseinrichtung (2, 2′), die an dem Meßraum ausgebildet ist und die Dispersion des zu messenden Gases in den Meßraum hinein begrenzt,
• (d) einem Pumpsensor, der ein erstes Elektrodenpaar (4a, 5a) umfaßt, mittels dem durch Anlegen des Potentials einer ersten Gleichstromquelle (7) Sauerstoff aus dem Bezugsraum in den Meßraum übertragen wird, und
• (e) einem Magersensor, der ein zweites Elektrodenpaar (4b, 5b) umfaßt, mittels dem der Sauerstoffgehalt des im Meßraum enthaltenen Gases durch eine Strommeßeinrichtung (9) ermittelt wird, die mit einer zweiten Gleichstromquelle (8) mit einer vorbestimmten Spannung in Reihe geschaltet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im rohrförmigen Element (1) eine Heizeinrichtung (10) vorgesehen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasdispersionseinrichtung (2, 2′) eine poröse Keramikschicht ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das rohrförmige Element (1) aus einem hitzebeständigen Keramikwerkstoff besteht.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Festkörperelektrolyt (3; 3a, 3b) aus Zirkoniumoxid und Yttriumoxid besteht.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden der Elektrodenpaare (4a, 5a; 4b, 5b) aus Platin bestehen und zueinander gleiche Ausdehnung aufweisen.