EP1504255A1 - Vorrichtung und verfahren zur messung einer gas-konzentration mittels einer festelektroytsauerstoffionenpumpe - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur messung einer gas-konzentration mittels einer festelektroytsauerstoffionenpumpe

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Publication number
EP1504255A1
EP1504255A1 EP03735281A EP03735281A EP1504255A1 EP 1504255 A1 EP1504255 A1 EP 1504255A1 EP 03735281 A EP03735281 A EP 03735281A EP 03735281 A EP03735281 A EP 03735281A EP 1504255 A1 EP1504255 A1 EP 1504255A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
electrode
pump current
measuring
individual pulses
pulse
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP03735281A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Torsten Reitmeier
Tim Walde
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Aumovio Germany GmbH
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Publication of EP1504255A1 publication Critical patent/EP1504255A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/416—Systems
    • G01N27/417—Systems using cells, i.e. more than one cell and probes with solid electrolytes
    • G01N27/419—Measuring voltages or currents with a combination of oxygen pumping cells and oxygen concentration cells

Definitions

  • the invention relates to a device for measuring a gas concentration in a measuring gas, having an outer electrode which is connected to a solid electrolyte and exposed to the measuring gas, and an electrode connected to the solid electrolyte, between which oxygen is generated by means of a pump current flowing through the solid electrolyte is pumpable, a pump current unit driving the pump current being connected between the electrode and the outer electrode.
  • the invention further relates to a method for measuring a gas concentration in a measuring gas by means of a measuring sensor, which has an outer electrode which is connected to a solid electrolyte and exposed to the measuring gas, and an electrode connected to the solid electrolyte, between which by means of a oxygen can be pumped through the pump electrolyte flowing through the solid electrolyte, the pump current being driven between the electrode and the outer electrode.
  • a thick-film measuring sensor To measure the NOx concentration in a measuring gas, for example the exhaust gas of an internal combustion engine, it is known to use a thick-film measuring sensor. Such a sensor is described for example in DE 199 07 947 AI. This sensor has two measuring cells in a body made of zirconium oxide that conducts oxygen ions. He realizes the following measurement concept: in a first measuring cell, to which the sample gas is supplied via a diffusion barrier, a first oxygen concentration is set by means of a first oxygen ion pumping current, with no decomposition of NOx taking place. In a second measuring cell, which is connected to the first via a further diffusion barrier, the oxygen content is measured using a second suction Material ion pump current further reduced.
  • the decomposition of NOx on a measuring electrode located in the second measuring cell leads to a third oxygen ion pumping current, which is a measure of the NOx concentration.
  • the entire sensor is brought to an elevated temperature, eg 750 ° C, using an electric heater.
  • a Nernst voltage is tapped in the respective measuring cells, reference always being made to an oxygen content to which a reference electrode is exposed, usually that of the ambient air.
  • the invention is based on the object of developing the device described at the outset or the method mentioned at the outset in such a way that the electrode is subjected to less stress.
  • the pump current unit periodically emits a pulse train with a plurality of individual pulses with a pulse width, the pulse width being variable for setting a level of the pump current.
  • the object is achieved in that a pulse sequence with several individual pulses with a pulse width is periodically used as the pump current, the pulse width being set to set a level of the pump current.
  • the invention thus strikes a middle ground between a direct current and a purely pulse-width-modulated pump current and, surprisingly, thereby combines the advantages of these two concepts.
  • the temperature response of the circuit and leakage currents essentially only have an effect during the relatively briefly switched on pump current; outside of the individual pulses, only a negligible leakage current flows.
  • the pulse sequence means that the modulation of the oxygen content at the electrode is significantly less than if a pulse-wide modulation with an individual pulse with a fixed pulse frequency, which was modulated in terms of its width, were used.
  • the pulse height can be kept low when designed for the same effective current height, as a result of which the oxygen modulation is small, which has a positive effect on the aging behavior of the E- electrode and the measuring accuracy.
  • a measurement can be carried out without any influence by changes in the pump current; in particular, there are no impairments due to rising or falling edges of the pump current. The same applies to clocked heating.
  • the pump current design according to the invention can be used for all pump current sources of the measuring sensor. Particular advantages with regard to measurement signal improvement result when used for the pump current source, which drives an oxygen ion pump current between the outer electrode and the measuring electrode.
  • the individual pulses of the pulse sequence are changed in their pulse width, all individual pulses of a pulse sequence having the same pulse width.
  • the pump current control can be particularly simple if the individual pulses have rising edges at a fixed time interval from one another. The number of individual pulses and the fixed time interval then determine the maximum duty cycle, i.e. the proportion of the period with which the pulse sequence is repeated that the individual pulses can take up.
  • the number of individual pulses can be set depending on the application. Pulse sequences with 2 to 10 individual pulses are useful. Ultimately, this depends on the pump current source or the frequency with which it can be controlled.
  • a particularly favorable control ratio for NOx sensors is obtained with a fixed time interval between the rising edges, which is between 1/20 and 1/4 of the period of the pulse train.
  • the pulse width can be set using a suitable controller. This is particularly easy to do if a microcontroller is used which controls the pump current unit with regard to the pulse width of the individual pulses.
  • the pump current control is particularly flexible if the number of individual pulses can be changed. By switching on or off additional individual pulses, the modulation width can be increased or decreased, so that a degree of modulation of up to 100% is then possible. This is particularly advantageous if a significantly higher pump current is required in a starting phase of a measuring current sensor than during the subsequent normal operation.
  • FIG. 1 is a schematic sectional view through a NOx sensor with associated wiring
  • FIG. 3 is a flowchart of an operating method for the sensor of FIG. 1.
  • Fig. 1 shows a schematic section through a NOx sensor that detects the NOx concentration in the exhaust tract of an internal combustion engine.
  • This sensor formed from a solid electrolyte, in the example Zr0 2 , receives the exhaust gas to be measured, the NOx concentration of which is to be determined, via a diffusion barrier 3.
  • the entire sensor 1 is brought to operating temperature by a clocked, energized heater 13.
  • the exhaust gas diffuses through the diffusion barrier 3 into a first measuring cell 4.
  • the oxygen content in this measuring cell 4 is measured by tapping a first Nernst voltage VO between a first electrode 5, which is located in the first measuring cell 4, and a reference electrode 11, which is in a reference cell 12 is arranged.
  • the reference cell 12 is largely sealed off from the ambient air, suitable measures being taken to equalize the pressure when the ambient pressure changes.
  • a pressure compensation opening 14 is provided in the form of a pinhole.
  • the Nernst voltage VO is related to the oxygen content in the reference cell 12 in which the reference electrode 11 is located. The importance of this will be explained in more detail later.
  • a first circuit arrangement sets a predetermined oxygen concentration in the first measuring cell 4.
  • the first Nernst voltage VO is tapped by a regulator which provides a voltage-controlled current source U0 which drives a first oxygen ion pump current IpO through the solid electrolyte 2 of the sensor 1 between the first electrode 5 and an outer electrode 6.
  • a predetermined oxygen concentration is set up in the first measuring cell 4, which is measured via the Nernst voltage VO between the electrode 5 and the reference electrode 11.
  • the detection of the first oxygen ion pumping current IpO required for regulation takes place via the known characteristic of the pumping current source U0, on the basis of which the pumping current is directly linked to a control voltage.
  • the second measuring cell 8 is connected to the first measuring cell 4 via a further diffusion barrier 7.
  • the gas present in the first measuring cell 4 diffuses into the second measuring cell 8 through this diffusion barrier 7.
  • a second circuit arrangement sets a second oxygen concentration in the second measuring cell.
  • a second Nernst voltage VI is tapped between a second electrode 9 and the reference electrode 11 and fed to a controller which provides a second voltage-controlled current source UI with which a second oxygen ion pump current Ipl is driven out of the second measuring cell 8 in order to reduce the oxygen content in to further reduce the second measuring cell 8.
  • the characteristic of the current source UI is used to control the second oxygen ion pumping current Ipl.
  • the second circuit arrangement regulates the second oxygen ion pump current Ipl in such a way that a predetermined oxygen concentration is established in the second measuring cell 8. This is so great that NOx is not affected by the processes taking place, in particular it is not decomposed.
  • the NOx is now pumped in the second measuring cell 8 at a measuring electrode 10, which can be configured catalytically, in a third oxygen ion pumping current Ip2 from the measuring electrode 10 to the outer electrode 6.
  • the pumping current Ip2 is a measure of the NOx concentration in the measuring cell 8 and thus in the exhaust gas to be measured.
  • the third oxygen ion pump current Ip2 is also driven by a voltage-controlled current source U2, which is regulated by measuring a third Nernst voltage V2. Analogous to the pump currents already mentioned, a controller is provided, which taps the third Nernst voltage V2 between the measuring electrode 10 and the reference electrode 11.
  • the reference cell 12 In order to have a constant reference potential available in the reference electrode 11 when measuring the Nernst voltages, the reference cell 12 is exposed to the ambient air essentially completed. Furthermore, due to unavoidable diffusion processes, an oxygen partial pressure which is higher than the environment is set in the reference cell 12 by a fourth controlled current source U3 driving a fourth oxygen ion pump current Ip3 from the outer electrode to the reference electrode 11, which pumps oxygen into the reference cell 12.
  • the current source U3 is controlled by means of a control voltage VS which is output by a controller C. As with all current controls, an analog circuit is also optionally possible.
  • the pump currents are set according to the following scheme shown in FIG. 2, in which reference is made to the third pump current Ip2 for example.
  • a time series of the pump current I is shown in FIG. 2. As can be seen, a pulse train with a period T is repeated.
  • the pulse sequence consists of three single pulses, a first single pulse 15, a middle single pulse 16 and a last single pulse 17, all of which have the same pulse width W and the same pulse height H.
  • the pulse width W is changed to adjust the level of the pump current Ip2.
  • a rising edge 18 of the first individual pulse 15, a rising edge 20 of the middle individual pulse 16 and a rising edge 22 of the last individual pulse 17 are at a fixed time interval from one another.
  • the width W is changed in that a falling edge 19 of the first individual pulse 15, a falling edge 21 of the middle individual pulse 16 and a falling edge 23 of the last individual pulse 17 are changed over time in relation to the respective rising edges 18, 20, 22.
  • a delay causes an increase in the pulse width W, a lead a shortening.
  • the pulse sequence shown in FIG. 2 is repeated after the period T has elapsed, the regulation then being able to bring about a change in the pulse width W.
  • the fixed time interval between the rising edges 18, 20 and 22 in the pulse sequence shown in FIG. 2 with three individual pulses 15, 16 and 17 has the consequence that the degree of modulation, i.e. the portion of the period T in which the pump current is at level H remains well below 100%. To increase it, it is possible to switch on additional individual pulses for a short time.
  • the individual pulses are first set to a width W as large as possible in a step S1 during the modulation.
  • the large width W causes a high average current level Ig, which is selected such that it does not result in any destruction or excessive degradation of the outer electrode 6, the solid-state electrolyte 2 and the measuring electrode 9 which carry it.
  • Ig high average current level
  • the third pump current Ip2 transports oxygen from the outer electrode 6 to the measuring electrode 9, no further measuring operation of the sensor 1 is carried out.
  • the length of time since the pump current Ip2 is switched on is recorded with the large pulse width W.
  • step S3 Only when it is determined in a step S3 that the high average current level Ig has flowed for a certain time T1 continue with step S4, otherwise the process jumps back to the time measuring step S2.
  • step S4 by shortening the width W, the pump current Ip2 from the outer electrode 6 to the measuring electrode 9 is reduced to a significantly lower average current level Ik.
  • the low mean current level Ik is selected so that the oxygen ion pump current Ip2 is then suitable for the measurement.
  • the low mean current level Ik now does not falsify the detection of the Nernst voltages to an inadmissible extent, so that the measuring operation is carried out until the operation of the sensor 1 is ended in a step S5.

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Abstract

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

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Messung einer Gas-Konzentration mittels einer Festele troytsauerstoffionenpumpe
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Messung einer Gas-Konzentration in einem Messgas, mit einer Außenelektrode, die mit einem Festkörperelektrolyten verbunden und dem Messgas ausgesetzt ist, und einer mit dem Festkörperelektrolyten verbundenen Elektrode, zwischen denen mittels eines durch den Festkörperelektrolyten fließenden Pumpstromes Sauerstoff pumpbar ist, wobei zwischen Elektrode und Außenelektrode eine den Pumpstrom treibende Pumpstromeinheit geschaltet ist.
Die Erfindung bezieht sich weiter auf ein Verfahren zum Messen einer Gas-Konzentration in einem Messgas mittels eines Messaufnehmers, der aufweist, eine Außenelektrode, die mit einem Festkörperelektrolyten verbunden und dem Messgas ausgesetzt ist, und eine mit dem Festkörperelektrolyten verbundene Elektrode, zwischen denen mittels eines durch den Festkörperelektrolyten fließenden Pumpstromes Sauerstoff pumpbar ist, wobei der Pumpstrom zwischen Elektrode und Außenelektrode getrieben wird.
Zur Messung der NOx-Konzentration in einem Messgas, z.B. dem Abgas einer Brennkraftmaschine, ist es bekannt, einen Dick- schichtmessaufnehmer zu verwenden. Ein solcher Messaufnehmer ist beispielsweise in der DE 199 07 947 AI beschrieben. Dieser Messaufnehmer weist zwei Messzellen in einem Körper aus Sauerstoffionenleitendem Zirkoniumoxid auf. Er verwirklicht folgendes Messkonzept: in einer ersten Messzelle, der das Messgas über eine Diffusionsbarriere zugeführt wird, wird mittels eines ersten Sauerstoffionen-Pumpstroms eine erste Sauerstoffkonzentration eingestellt, wobei keine Zersetzung von NOx stattfinden soll. In einer zweiten Messzelle, die mit der ersten über eine weitere Diffusionsbarriere verbunden ist, wird der Sauerstoffgehalt mittels eines zweiten Sau- erstoffionen-Pumpstroms weiter abgesenkt. Die Zersetzung von NOx an einer in der zweiten Messzelle befindlichen Messelektrode führt zu einem dritten Sauerstoffionen-Pumpstrom, der ein Maß für die NOx-Konzentration ist. Der gesamte Messaufnehmer wird dabei mittels eines elektrischen Heizers auf eine erhöhte Temperatur, z.B. 750°C, gebracht.
Zum Einstellen der Sauerstoffionen-Pumpströme wird in den jeweiligen Messzellen eine Nernstspannung abgegriffen, wobei immer Bezug genommen wird auf einen Sauerstoffgehalt, dem eine Referenzelektrode ausgesetzt ist, üblicherweise dem der U gebungsluft .
Für die Pumpströme werden Stromquellen eingesetzt, die in einer Regelung die Sauerstoffkonzentration auf einen Zielwert bringen. Die Güte der Stromquellen ist damit für die erreichbare Messgenauigkeit und -nachweisgrenze wichtig. Dies gilt besonders für die Stromquelle, die zwischen Messelektrode und Außenelektrode geschaltet ist.
Das Erfordernis, den Pumpstrom genau einzustellen, bringt erhebliche Anforderungen an den Temperaturgang der den jeweiligen Pumpstrom treibenden Schaltung, also der Pumpstromquelle, mit sich. Dasselbe gilt hinsichtlich störender Leckströme, die sich ebenfalls negativ auf die Konstanz und die Genauigkeit des Pumpstromes, der die Sauerstoffkonzentration einstellt, auswirken. Letzterer Nachteil hat insbesondere bei kleinen Pumpströmen Bedeutung, wie sie von der Messelektrode zur Außenelektrode auftreten.
Die Anforderungen an Temperaturkonstantheit und geringes Leckstromniveau könnten zwar durch Verwendung eines pulswei- tenmodulierten Pumpstroms gemindert werden, jedoch stellt sich damit an der Elektrode eine gewisse Modulation der Sauerstoffkonzentration ein, was entsprechende Anforderungen an die. Unempfindlichkeit der Elektrode gegenüber schwankenden Sauerstoffkonzentrationen bedingt. Dadurch kann die Lebens- dauer der Elektrode und damit der Messvorrichtung herabgesetzt sein. Auch wird die Messgenauigkeit gemindert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die eingangs geschilderte Vorrichtung bzw. das eingangs genannte Verfahren derart fortzubilden, dass die Elektrode geringer belastet wird.
Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Vorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Pumpstromeinheit periodisch eine Pulsfolge mit mehreren Einzelpulsen mit einer Pulsbreite abgibt, wobei die Pulsbreite zur Einstellung eines Pegels des Pumpstromes veränderbar ist.
Die Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass als Pumpstrom periodisch eine Pulsfolge mit mehreren Einzelpulsen mit einer Pulsbreite verwendet wird, wobei die Pulsbreite zur Einstellung eines Pegels des Pumpstromes eingestellt wird.
Die Erfindung beschreitet also einen Mittelweg zwischen einem Gleichstrom und einem rein pulsweitenmodulierten Pumpstrom und verbindet dadurch überraschenderweise die Vorteile dieser beiden Konzepte. Temperaturgang der Schaltung und Leckströme wirken sich im wesentlichen nur während dem relativ kurzzeitig eingeschalteten Pumpstrom aus; außerhalb der Einzelpulse fließt nur ein im Verhältnis dazu vernachlässigbarer Leckstrom. Zugleich ist durch die Pulsfolge die Modulation des Sauerstoffgehaltes an der Elektrode deutlich geringer, als wenn eine pulsweite Modulation mit einem hinsichtlich seiner Breite modulierten Einzelpuls mit fester Pulsfrequenz verwendet würde.
Dadurch, dass in der Pulsfolge mehrere Einzelpulse vorliegen, kann die Pulshöhe bei Auslegung für gleiche effektive Stromhöhe gering gehalten werden, wodurch die Sauerstoffmodulation klein ist, was sich positiv auf das Alterungsverhalten der E- lektrode und die Messgenauigkeit auswirkt. In den Pausen, in denen keine Einzelpulse der Pulsfolge auftreten, kann eine Messung ohne jegliche Beeinflussung durch Pumpstromänderungen durchgeführt werden, insbesondere treten dann keine Beeinträchtigungen durch steigende oder fallende Flanken des Pumpstroms auf. Das gleiche gilt hinsichtlich einer getakteten Heizung.
Die erfindungsgemäße Pumpstromgestaltung kann für alle Pumpstromquellen des Messaufnehmers verwendet werden. Besondere Vorteile hinsichtlich Messsignalverbesserung ergeben sich bei der Verwendung für die Pumpstromquelle, die einen Sauerstoffionen-Pumpstrom zwischen Außenelektrode und Messelektrode treibt.
Die Einzelpulse der Pulsfolge werden in ihrer Pulsbreite verändert, wobei alle Einzelpulse einer Pulsfolge dieselbe Pulsbreite aufweisen. Die Pumpstromsteuerung kann dabei besonders einfach ausfallen, wenn die Einzelpulse steigende Flanken mit festem zeitlichen Abstand zueinander aufweisen. Die Zahl der Einzelpulse und der feste zeitliche Abstand bestimmen dann das maximale Tastverhältnis, d.h. den Anteil der Periode, mit der die Pulsfolge wiederholt wird, den die Einzelpulse einnehmen können .
Die Zahl der Einzelpulse ist applikationsabhängig einstellbar. Zweckmäßig sind Pulsfolgen mit 2 bis 10 Einzelpulsen. Letztlich hängt dies von der Pumpstromquelle ab bzw. der Frequenz, mit der diese angesteuert werden kann.
Ein besonders günstiges Ansteuerverhältnis für NOx-Aufnehmer erhält man bei einem festen zeitlichen Abstand der steigenden Flanken, der zwischen 1/20 und 1/4 der Periode der Pulsfolge liegt.
Die Einstellung der Pulsbreite kann mit einem geeigneten Regler erfolgen. Dieser ist besonders einfach ausführbar, wenn ein MikroController verwendet wird, der die Pumpstromeinheit hinsichtlich der Pulsbreite der Einzelpulse ansteuert.
Eine besondere Flexibilität der Pumpstromsteuerung erhält man, wenn die Anzahl der Einzelpulse veränderbar ist. Durch Zuschalten bzw. Abschalten zusätzlicher Einzelpulse kann dabei die Modulationsbreite vergrößert bzw. verkleinert werden, so dass dann ein Modulationsgrad bis zu 100% möglich ist. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn in einer Startphase eines Messstromaufnehmers ein deutlich höherer Pumpstrom als während des später folgenden, normalen Betriebes gefordert ist.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung beispielhalber noch näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:
Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung durch einen NOx-Messaufnehmer mit zugehöriger Beschaltung,
Fig. 2 eine Zeitreihe des Pumpstromes, der eine periodisch wiederholte Pulsfolge mit Einzelpulsen aufweist, und
Fig. 3 ein Flussdiagramm eines Betriebsverfahrens für den Messaufnehmer der Fig. 1.
Fig. 1 zeigt einen schematischen Schnitt durch einen NOx- Messaufnehmer, der die NOx-Konzentration im Abgastrakt einer Brennkraftmaschine erfasst. Dieser aus einem Festkörperelektrolyten, im Beispielfall Zr02, gebildete Messaufnehmer 1 nimmt über eine Diffusionsbarriere 3 das zu messende Abgas auf, dessen NOx-Konzentration bestimmt werden soll. Der gesamte Messaufnehmer 1 wird durch einen getaktet bestromten Heizer 13 auf Betriebstemperatur gebracht. Das Abgas diffundiert durch die Diffusionsbarriere 3 in eine erste Messzelle 4. Der Sauerstoffgehalt in dieser Messzelle 4 wird durch Abgriff einer ersten Nernstspannung VO zwischen einer ersten Elektrode 5, die sich in der ersten Messzelle 4 befindet und einer Referenzelektrode 11 gemessen, die in einer Referenzzelle 12 angeordnet ist. Die Referenzzelle 12 ist gegenüber der Umgebungsluft weitgehend abgeschlossen, wobei geeignete Maßnahmen zum Druckausgleich bei wechselndem Umgebungsdruck getroffen sind. Im Ausführungsbeispiel ist dazu eine Druckausgleichsöffnung 14 in Form eines Pinhole vorgesehen.
Die Nernstspannung VO ist auf den Sauerstoffgehalt in der Referenzzelle 12 bezogen, in der sich die Referenzelektrode 11 befindet. Die Bedeutung dieses Sachverhalts wird später noch eingehender erläutert.
Eine erste Schaltkreisanordnung stellt in der ersten Messzelle 4 eine vorbestimmte Sauerstoffkonzentration ein. Dazu wird die erste Nernstspannung VO von einem Regler abgegriffen, der eine spannungsgesteuerte Stromquelle U0 stellt, welche einen ersten Sauerstoffionenpumpstrom IpO durch den Festkörperelektrolyten 2 des Messaufnehmers 1 zwischen der ersten E- lektrode 5 und einer Außenelektrode 6 treibt. Dabei wird in der ersten Messzelle 4 eine vorbestimmte Sauerstoffkonzentration eingerichtet, die über die Nernstspannung VO zwischen der Elektrode 5 und der Referenzelektrode 11 gemessen wird. Die zur Regelung nötige Erfassung des ersten Sauerstoffionen- Pumpstroms IpO erfolgt über die bekannte Charakteristik der Pump-Stromquelle U0, aufgrund der der Pumpstrom direkt mit einer Stellspannung verknüpft ist.
Die zweite Messzelle 8 ist mit der ersten Messzelle 4 über eine weitere Diffusionsbarriere 7 verbunden. Durch diese Diffusionsbarriere 7 diffundiert das in der ersten Messzelle 4 vorhandene Gas in die zweite Messzelle 8. In der zweiten Messzelle stellt eine zweite Schaltkreisanordnung eine zweite Sauerstoffkonzentration ein. Dazu wird zwischen einer zweiten Elektrode 9 und der Referenzelektrode 11 eine zweite Nernstspannung VI abgegriffen und einem Regler zugeführt, der eine zweite spannungsgesteuerte Stromquelle UI stellt, mit der ein zweiter Sauerstoffionen-Pumpstrom Ipl aus der zweiten Messzelle 8 heraus getrieben wird, um den Sauerstoffgehalt in der zweiten Messzelle 8 weiter zu reduzieren. Auch hier wird für die Regelung des zweiten Sauerstoffionen- Pumpstromes Ipl die Charakteristik der Stromquelle UI ausgenutzt.
Die zweite Schaltkreisanordnung regelt den zweiten Sauerstoffionen-Pumpstrom Ipl so, dass sich in der zweiten Messzelle 8 eine vorbestimmte Sauerstoffkonzentration einstellt. Diese ist dabei so groß, dass NOx von den ablaufenden Vorgängen nicht betroffen ist, insbesondere nicht zersetzt wird. Das NOx wird nun in der zweiten Messzelle 8 an einer Messelektrode 10, die katalytisch ausgestaltet sein kann, in einem dritten Sauerstoffionen-Pumpstrom Ip2 von der Messelektrode 10 zur Außenelektrode 6 hin gepumpt. Da der Restsauerstoffgehalt in der Messzelle 8 so weit abgesenkt ist, dass der Sauerstoffionen-Pumpstrom Ip2 im wesentlichen nur von Sauerstoffionen getragen wird, die aus der Zersetzung von NOx an der Messelektrode 10 stammen, ist der Pumpstrom Ip2 ein Maß für die NOx-Konzentration in der Messzelle 8 und somit im zu messenden Abgas. Der dritte Sauerstoffionen-Pumpstrom Ip2 wird ebenfalls von einer spannungsgesteuerten Stromquelle U2 getrieben, die unter Messung einer dritten Nernstspannung V2 geregelt wird. Dabei ist analog zu den bereits erwähnten Pumpströmen ein Regler vorgesehen, welcher die dritte Nernstspannung V2 zwischen der Messelektrode 10 und der Referenzelektrode 11 abgreift.
Um bei den Messungen der Nernstspannungen ein konstantes Be- zugspotential in der Referenzelektrode 11 zur Verfügung zu haben, ist die Referenzzelle 12 gegenüber der Umgebungsluft im wesentlichen abgeschlossen. Weiter wird, unvermeidbarer Diffusionsprozesse wegen, in der Referenzzelle 12 ein gegenüber der Umgebung erhöhter Sauerstoffpartialdruck eingestellt, indem mittels einer vierten gesteuerten Stromquelle U3 ein vierter Sauerstoffionen-Pumpstrom Ip3 von der Außenelektrode zur Referenzelektrode 11 getrieben wird, der Sauerstoff in die Referenzzelle 12 hineinpumpt. Die Stromquelle U3 wird dabei mittels einer Stellspannung VS gesteuert, die von einem Controller C abgegeben wird. Optional ist hier, wie für alle Stromregelungen, auch eine analoge Schaltung möglich.
Die Pumpströme werden dabei nach folgendem, in Fig. 2 dargestelltem Schema eingestellt, in dem beispielshalber auf den dritten Pumpstrom Ip2 Bezug genommen wird.
In Fig. 2 ist eine Zeitreihe des Pumpstromes I dargestellt. Wie zu sehen ist, wird eine Pulsfolge mit einer Periode T wiederholt. Die Pulsfolge besteht aus drei Einzelpulsen, einem ersten Einzelpuls 15, einem mittleren Einzelpuls 16 und einem letzten Einzelpuls 17, die alle dieselbe Pulsbreite W und dieselbe Pulshöhe H aufweisen.
Während die Pulshöhe H festbleibt, wird die Pulsbreite W zur Einstellung des Pegels des Pumpstromes Ip2 verändert. Dabei haben eine steigende Flanke 18 des ersten Einzelpulses 15, eine steigende Flanke 20 des mittleren Einzelpulses 16 und eine steigende Flanke 22 des letzten Einzelpulses 17 einen festen zeitlichen Abstand zueinander. Die Veränderung der Breite W erfolgt dadurch, dass eine fallende Flanke 19 des ersten Einzelpulses 15, eine fallende Flanke 21 des mittleren Einzelpulses 16 sowie eine fallende Flanke 23 des letzten Einzelpulses 17 gegenüber den jeweiligen steigenden Flanken 18, 20, 22 zeitlich verändert werden. Eine Verzögerung bewirkt eine Vergrößerung der Pulsbreite W, eine Voreilung eine Verkürzung. Die in Fig. 2 gezeigte Pulsfolge wird nach Ablauf der Periode T wiederholt, wobei die Regelung dann eine Veränderung der Pulsbreite W mit sich bringen kann.
Der feste zeitliche Abstand zwischen den steigenden Flanken 18, 20 und 22 hat bei der in Fig. 2 dargestellten Pulsfolge mit drei Einzelpulsen 15, 16 und 17 zur Folge, dass der Modulationsgrad, d.h. der Anteil der Periode T, in dem der Pumpstrom den Pegel H hat, deutlich unter 100% bleibt. Um ihn zu erhöhen ist es möglich, kurzzeitig zusätzliche Einzelpulse zuzuschalten.
Diese Erhöhung des Modulationsgrades wird in Startphasen des Messaufnehmers nach folgendem in Fig. 3 gezeigten Verfahren durchgeführt, um eine beschleunigte In-Betrieb-Setzung zu erreichen:
Nach einem Schritt SO, in dem das Verfahren gestartet wird, werden zuerst in einem Schritt Sl bei der Modulation die Einzelpulse auf eine möglichst große Breite W gestellt. Die große Breite W bewirkt einen hohen mittleren Strompegel Ig, der so gewählt ist, dass er noch keine Zerstörung oder übermäßige Degradation der ihn führenden Außenelektrode 6, des Festkörperelektrolyten 2 sowie der Messelektrode 9 zur Folge hat. Er ist jedoch so groß, dass die durch Übergangswiderstände verursachte Spannung keine ausreichend fehlerunbehaftete Messung der entsprechenden Nernstspannung erlauben würde. Deshalb wird in dieser Startphase, in der der dritte Pumpstrom Ip2 von der Außenelektrode 6 zur Messelektrode 9 Sauerstoff transportiert, kein weiterer Messbetrieb des Messaufnehmers 1 vorgenommen. In einem Schritt S2 wird die Zeitdauer seit Einschalten des Pumpstromes Ip2 mit der großen Pulsbreite W er- fasst .
Erst wenn in einem Schritt S3 festgestellt wird, dass der hohe mittlere Strompegel Ig eine gewisse Zeit Tl floss, wird mit Schritt S4 fortgefahren, ansonsten wird vor den Zeitmessschritt S2 zurückgesprungen.
Im Schritt S4 wird durch Verkürzen der Breite W der Pumpstrom Ip2 von der Außenelektrode 6 zur Messelektrode 9 auf einen deutlich geringeren mittleren Strompegel Ik reduziert. Der geringe mittlere Strompegel Ik ist so gewählt, dass der Sauerstoffionen-Pumpstrom Ip2 dann für die Messung geeignet ist. Der geringe mittlere Strompegel Ik verfälscht die Erfassung der Nernstspannungen nunmehr nicht in unzulässigem Maß, so dass der Messbetrieb durchgeführt wird, bis in einem Schritt S5 der Betrieb des Messaufnehmers 1 beendet wird.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Messung einer Gas-Konzentration in einem Messgas, mit
- einer Außenelektrode (6), die mit einem Festkörperelektrolyten (2) verbunden und dem Messgas ausgesetzt ist, und einer mit dem Festkörperelektrolyten (2) verbundenen Elektrode (9), zwischen denen mittels eines durch den Festkörperelektrolyten (2) fließenden Pumpstromes (Ip2) Sauerstoff pumpbar ist,
- wobei zwischen Elektrode (9) und Außenelektrode (6) eine den Pumpstrom (Ip2) treibende Pumpstromeinheit (U2) geschaltet ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Pumpstromeinheit (U2) periodisch eine Pulsfolge mit mehreren Einzelpulsen (15, 16, 17) mit einer Pulsbreite (W) abgibt, wobei die Pulsbreite (W) zur Einstellung eines Pegels des Pumpstromes (Ip2) veränderbar ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelpulse (15, 16, 17) steigende Flanken (18, 20, 22) mit festem zeitlichen Abstand zueinander aufweisen.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen 1/20 und 1/4 der Periode der Pulsfolge liegt.
4. Vorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsfolge zwischen 2 und 10 Einzelpulse aufweist.
5. Vorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Mikrocontroller (C) , der die Pumpstromeinheit
(U2) hinsichtlich der Pulsbreite (W) der Einzelpulse (15, 16, 17) ansteuert.
6. Vorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl an Einzelpulsen (15, 16, 17) veränderbar ist.
7. Verfahren zum Messen einer Gas-Konzentration in einem Messgas mittels eines Messaufnehmers, der aufweist,
- eine Außenelektrode (6), die mit einem Festkörperelektrolyten (2) verbunden und dem Messgas ausgesetzt ist, und eine mit dem Festkörperelektrolyten (2) verbundene Elektrode (9) , zwischen denen mittels eines durch den Festkörperelektrolyten (2) fließenden Pumpstromes (Ip2) Sauerstoff pumpbar ist,
- wobei der Pumpstrom (Ip2) zwischen Referenzelektrode (11) und Elektrode (16) getrieben wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß als Pumpstrom periodisch eine Pulsfolge mit mehreren Einzelpulsen (15, 16, 17) mit einer Pulsbreite (W) verwendet wird, wobei die Pulsbreite zur Einstellung eines Pegels des Pumpstromes (Ip2) eingestellt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelpulse (15, 16, 17) steigende Flanken (28, 22) mit festem zeitlichen Abstand zueinander aufweisen.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen 1/20 und 1/4 der Periode der Pulsfolge liegt.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsfolge zwischen 2 und 10 Einzelpulse aufweist.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl an Einzelpulsen (15, 16, 17) veränderbar ist.
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