WO2004083842A1 - Device and method for measurement of nox concentration in an analyte gas - Google Patents

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WO2004083842A1 PCT/EP2004/000076 EP2004000076W WO2004083842A1 WO 2004083842 A1 WO2004083842 A1 WO 2004083842A1 EP 2004000076 W EP2004000076 W EP 2004000076W WO 2004083842 A1 WO2004083842 A1 WO 2004083842A1
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    • G01N27/419—Measuring voltages or currents with a combination of oxygen pumping cells and oxygen concentration cells

Abstract

A device is provided for the measurement of the NOx concentration in an analyte gas, comprising an outer electrode (6), connected to a solid electrolyte (2) and exposed to the analyte gas and a reference electrode (11), by means of which a pumped flow (Ip3) with a constant oxygen concentration flowing through the solid electrolyte (2) may be controlled, said concentration being different from the oxygen concentration in the analyte gas. A pump flow unit (UI3), driving the pumped flow (Ip3) is arranged between the reference electrode (11) and the outer electrode (6), recording and taking account of an operating parameter of a heating unit (13), heating the device.

Description

Beschreibungdescription
Vorrichtung und Verfahren zur Messung der NOx-Konzentration in einem MessgasDevice and method for measuring the NOx concentration in a measuring gas
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Messung einer Gas-Konzentration in einem Messgas, die aufweist eine Außenelektrode, die mit einem Festkorperelektrolyten verbunden und dem Messgas ausgesetzt ist, und eine mit dem Festkör- perelektrolyten verbundenen Referenzelektrode, über der mittels eines durch den Festkorperelektrolyten fließenden Pumpstromes eine konstante Sauerstoffkonzentration einstellbar ist, die sich von der Sauerstoffkonzentration im Messgas unterscheidet, wobei zwischen Referenzelektrode und Außenelekt- rode eine den Pumpstrom treibende Pumpstromeinheit geschaltet ist und die Vorrichtung durch eine elektrische Heizeinrichtung geheizt wird. Die Erfindung bezieht sich weiter auf ein Verfahren zum Messen der NOx-Konzentration in einem Messgas, wobei in einer elektrisch beheizten Vorrichtung mit einer Au- ßenelektrode, die mit einem Festkorperelektrolyten verbunden und dem Messgas ausgesetzt ist, und einer ebenfalls mit dem Festkorperelektrolyten verbundenen Referenzelektrode über eine von der Außenelektrode zur Referenzelektrode getriebenen Pumpstrom Sauerstoff vom Messgas von der Außenelektrode zur Referenzelektrode transportiert wird.The invention relates to a device for measuring a gas concentration in a measuring gas, which has an outer electrode which is connected to a solid electrolyte and exposed to the measuring gas, and a reference electrode connected to the solid electrolyte, over which by means of a through the solid electrolyte flowing pump current, a constant oxygen concentration can be set, which differs from the oxygen concentration in the measurement gas, a pump current unit driving the pump current being connected between the reference electrode and the outer electrode and the device being heated by an electrical heating device. The invention further relates to a method for measuring the NOx concentration in a measuring gas, wherein in an electrically heated device with an outer electrode, which is connected to a solid electrolyte and exposed to the measuring gas, and a reference electrode also connected to the solid electrolyte a pump current driven by the outer electrode to the reference electrode is transported from the measuring gas from the outer electrode to the reference electrode.
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 und 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 Sauerstoffionen-Pumpstroms weiter abgesenkt. Die Zersetzung von NOx an einer in der zweiten Messzelle befindlichen Messelekt- rode 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.To measure the NOx concentration in a measurement gas, for example the exhaust gas of an internal combustion engine, it is known to use a thick-film sensor. Such a sensor is described for example in DE 199 07 947 AI. This sensor has two measuring cells and 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 pump current, with no decomposition of NOx taking place. In a second measuring cell with the first is connected via a further diffusion barrier, the oxygen content is further reduced by means of a second oxygen ion pump current. 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.
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 Umgebungsluft .To set the oxygen ion pump currents, 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.
Es stellt sich jedoch das Problem, dass je nach Anwendung des Messaufnehmers mitunter diese zur Gewinnung des Bezugspotentials verwendete Sauerstoffkonzentration zu stark schwankt. So kann beispielsweise in größeren Höhen eine geringere Sau- erstoffkonzentration zu einer nicht tolerierbaren Messverfälschung führen. Ahnliches gilt, wenn verunreinigende Gase, beispielsweise gasförmige Kohlenwasserstoffe, in den Bereich der Referenzelektrode gelangen. Dies kann bei Anwendungen im Automobilbereich der Fall sein, wenn der Messaufnehmer in ei- nem Kraftfahrzeug beispielsweise über einer Benzinpfütze zu liegen kommt.However, there is the problem that, depending on the application of the sensor, the oxygen concentration used to obtain the reference potential fluctuates too much. For example, at higher altitudes, a lower oxygen concentration can lead to an intolerable measurement falsification. The same applies if contaminating gases, for example gaseous hydrocarbons, reach the area of the reference electrode. This can be the case in applications in the automotive field if the sensor in a motor vehicle comes to rest, for example, over a puddle of petrol.
Um diese Problematik zu vermeiden, kann, wie die gattungsgemäße, in der DE 43 33 231 AI beschriebene Vorrichtung vor- sieht, durch Sauerstoffpumpen von der dem Messgas ausgesetzten Außenelektrode zur Referenzelektrode hin über der Referenzelektrode gezielt eine erhöhte Sauerstoffkonzentration eingestellt werden, die von Schwankungen unabhängig ist und dann als Bezugskonzentration dient. Der absolute Wert der da- bei eingestellten erhöhten Sauerstoffkonzentration über dieIn order to avoid this problem, as the generic device described in DE 43 33 231 A1 provides, oxygen pumps from the outer electrode exposed to the measuring gas to the reference electrode above the reference electrode can be used to set an increased oxygen concentration which is independent of fluctuations and then serves as a reference concentration. The absolute value of the set increased oxygen concentration over the
Referenzelektrode ist für das Messverfahren von untergeordneter Bedeutung, so lang dieser Wert nur gleichbleibend vor- liegt, da das eingangs erläuterte Sensorkonzept bei der Nernstspannungsmessung nur Relativmessungen bezogen auf das chemische Sauerstoffpotential an der Referenzelektrode vornimmt.Reference electrode is of minor importance for the measuring process, as long as this value is only constant. lies, since the sensor concept explained at the beginning only makes relative measurements with respect to the chemical oxygen potential at the reference electrode in the Nernst voltage measurement.
Es hat sich jedoch gezeigt, dass auch bei konstantem Pumpstrom Messgenauigkeitsschwankungen auftreten.However, it has been shown that fluctuations in measurement accuracy occur even when the pump current is constant.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die eingangs ge- schilderte Vorrichtung bzw. das eingangs erläuterte Verfahren derart fortzubilden, dass eine genauere Messung möglich ist.The invention is based on the object of developing the device described at the outset or the method explained at the outset in such a way that a more precise measurement is possible.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Vorrichtung zur Messung einer Gas-Konzentration in einem Messgas gelöst, die aufweist eine Außenelektrode, die mit einem Festkorperelektrolyten verbunden und dem Messgas ausgesetzt ist, und eine mit dem Festkorperelektrolyten verbundenen Referenzelektrode,, über der mittels eines durch den Festkorperelektrolyten fließenden Pumpstromes eine konstante Sauerstoffkonzentration einstellbar ist, die sich von der Sauerstoffkonzentration im Messgas unterscheidet, wobei zwischen Referenzelektrode und Außenelektrode eine den Pumpstrom treibende Pumpstromeinheit geschaltet ist, die Vorrichtung durch eine elektrische Heizeinrichtung geheizt wird und die Pumpstromeinheit einen oder mehrere Betriebsparameter der Heizeinrichtung erfasst und den Pumpstrom abhängig vom Messwert einstellt.This object is achieved according to the invention with a device for measuring a gas concentration in a measuring gas, which has an outer electrode which is connected to a solid electrolyte and exposed to the measuring gas, and a reference electrode connected to the solid electrolyte, above which by means of a solid electrolyte flowing pump current, a constant oxygen concentration can be set, which differs from the oxygen concentration in the measurement gas, a pump current unit driving the pump current being connected between the reference electrode and the outer electrode, the device being heated by an electrical heating device and the pump current unit detecting one or more operating parameters of the heating device and the like Sets pump current depending on the measured value.
Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass bei Gassensoren eine Messsignalverfälschung mitunter von Einflüssen der Sensorheizung herrühren können. Der Erfinder erkannte dabei, dass es insbesondere bei Sensoren auf der Basis von Zirkoniumoxid durch eine unzureichende elektrische Isolation der Heizung gegenüber dem restlichen Sensorkörper zu einer Verschiebung der Spannungspotentiale in Abhängigkeit von Be- triebsparametern der Heizung kommen kann. Als ein möglicher beeinflussender Betriebsparameter hat sich dabei die Versorgungsspannung des Sensors, mit der auch die elektrische Heiz- einrichtung betrieben wird, herausgestellt. Aber auch andere Betriebsparameter, wie beispielsweise die Höhe oder das Tastverhältnis eines Heizstromes können eine solche Spannungspotentialverschiebung verursachen.The invention is based on the knowledge that, in the case of gas sensors, a measurement signal falsification can sometimes result from influences of the sensor heating. The inventor recognized that, in particular in the case of sensors based on zirconium oxide, insufficient electrical insulation of the heater from the rest of the sensor body can result in a shift in the voltage potential as a function of the operating parameters of the heater. The supply voltage of the sensor, with which the electrical heating facility is operated. However, other operating parameters, such as the level or duty cycle of a heating current, can also cause such a voltage potential shift.
Diese Potentialverschiebung führt zu einem veränderten Pumpverhalten von Sauerstoff zur Referenzelektrode hin. Es tritt dabei ein unerwünschtes Pumpen auf, das man auch als parasitäres Pumpen bezeichnen könnte. Dadurch stellt sich eine un- erwünscht veränderte Sauerstoffkonzentration an der Referenzelektrode ein.This potential shift leads to a changed pumping behavior of oxygen towards the reference electrode. An undesirable pumping occurs, which could also be called parasitic pumping. This results in an undesirably changed oxygen concentration at the reference electrode.
Da die Sauerstoffkonzentration als Referenzpunkt für andere Pump- und Konzentrationsbestimmungsvorgänge im Sensor dient, hat eine Veränderung der Sauerstoffkonzentration an der Referenzelektrode automatisch eine unerwünschte und nicht bekannte Verschiebung der Arbeitspunkte im Sensor bzw. an den einzelnen Elektroden des Sensors zur Folge. Dadurch wird nicht nur die Messgenauigkeit des Sensors, sondern auch die Quer- empfindlichkeit und das Alterungsverhalten unvorteilhaft verändert.Since the oxygen concentration serves as a reference point for other pumping and concentration determination processes in the sensor, a change in the oxygen concentration at the reference electrode automatically results in an undesired and unknown shift in the operating points in the sensor or on the individual electrodes of the sensor. This not only disadvantageously changes the measuring accuracy of the sensor, but also the cross-sensitivity and the aging behavior.
Diese Problematik könnte, prinzipiell durch eine Veränderung der Isolation der Heizung gegenüber dem Sensorkörper angegan- gen werden, jedoch ist dieser denkbare Ansatz mit großem Aufwand bei der Sensorherstellung verbunden. Alternativ wäre es möglich, die verschiedenen Arbeitspunkte beim Betrieb des Sensors in Abhängigkeit von der Versorgungsspannung anzupassen. Gegenüber der zuvor geschilderten Veränderung des Sen- sorkörpers stellt dies jedoch lediglich ein nachträgliches Korrigieren von bereits aufgetretenen Störungen dar.In principle, this problem could be addressed by changing the insulation of the heater from the sensor body, but this conceivable approach is associated with great effort in sensor production. Alternatively, it would be possible to adapt the various operating points when the sensor is operating as a function of the supply voltage. Compared to the previously described change in the sensor body, however, this only represents a subsequent correction of faults that have already occurred.
Die oben geschilderte Lösung der eingangs erwähnten Aufgabe hat demgegenüber den zusätzlichen Vorteil, dass eine Ver- Schiebung der Spannungspotentiale gar nicht erst auftritt, da durch die Berücksichtigung des Betriebsparameters der Heizeinrichtung bei der Wahl des Pumpstroms zur Referenzelektrode hin eine gleichbleibende Sauerstoffkonzentration an der Referenzelektrode sichergestellt und folglich eine Verschiebung der darauf bezogenen Spannungspotentiale ausgeschlossen ist. Durch die derart verbesserte Konstanthaltung der Sauerstoffkonzentration an der Referenzelektrode wird die Genauigkeit des Sensors verbessert. Zusätzlich werden die einzelnen Arbeitspunkte, die im Betrieb des Sensors einzuhalten sind, genauer angefahren, was sich vorteilhaft auf Querempfindlich- keits- sowie Alterungsverhalten des Sensors auswirkt.The above-described solution to the problem mentioned at the outset has the additional advantage that the voltage potentials do not shift in the first place, since the operating parameter of the heating device is taken into account when selecting the pump current for the reference electrode ensures a constant oxygen concentration at the reference electrode and consequently a shift in the voltage potentials related to it is excluded. The accuracy of the sensor is improved by keeping the oxygen concentration constant at the reference electrode. In addition, the individual operating points that must be observed during the operation of the sensor are approached more precisely, which has an advantageous effect on the cross-sensitivity and aging behavior of the sensor.
Die geeignete Berücksichtigung des Betriebsparameters der Heizeinrichtung kann auf vielfältige Art und Weise geschehen. Beispielsweise kann die Versorgungsspannung der Heizeinrichtung direkt proportional in einem geeigneten Übersetzungsver- hältnisses in die Höhe des Pumpstromes eingehen. Bei einem gepulstem Pumpstrom kann das Tastverhältnis oder der Pumpstrompegel an die Versorgungsspannung proportional gekoppelt werden. Neben der Versorgungsspannung können auch andere Betriebsparameter der Heizeinrichtung bei der Wahl des Pu p- Stromes berücksichtigt werden. Beispielsweise kann der Betrag eines in der Heizeinrichtung fließenden Stromes oder bei einer getaktet betriebener Heizeinrichtung das entsprechende Taktverhältnis Berücksichtigung finden.Appropriate consideration of the operating parameters of the heating device can be done in a variety of ways. For example, the supply voltage of the heating device can be directly proportional to the level of the pump current in a suitable transmission ratio. In the case of a pulsed pump current, the pulse duty factor or the pump current level can be coupled proportionally to the supply voltage. In addition to the supply voltage, other operating parameters of the heating device can also be taken into account when selecting the Pu p current. For example, the amount of a current flowing in the heating device or, in the case of a heating device operated in a clocked manner, the corresponding clock ratio can be taken into account.
Es ist deshalb eine Weiterbildung der Vorrichtung bevorzugt, bei der die Pumpstromeinheit die Höhe der Versorgungsspannung erfasst und die Höhe des Pumpstromes abhängig von der Höhe der Versorgungsspannung wählt.A further development of the device is therefore preferred in which the pump current unit detects the level of the supply voltage and selects the level of the pump current depending on the level of the supply voltage.
Die Pumpstromeinheit kann mit einer Messeinrichtung ausgestattet sein, die nicht direkt in den Sensor oder dessen Be- schaltung integriert werden muss; auch eine externe Messeinrichtung mit geeigneter Übermittlung eines die Höhe der Versorgungsspannung wiedergebenden Wertes ist tauglich.The pump current unit can be equipped with a measuring device which does not have to be integrated directly into the sensor or its circuitry; an external measuring device with suitable transmission of a value representing the level of the supply voltage is also suitable.
Für einen Sensor mit getaktet betriebener Heizeinrichtung ist es bevorzugt, dass die Pumpstromeinheit das entsprechende Taktverhältnis erfasst und den Pumpstrom abhängig vom Tastverhältnis der getaktet betriebenen Heizeinrichtung treibt. Auch in dieser Ausgestaltung kann eine Messeinrichtung als interne oder eigenständige Einheit im Sensor oder dessen Be- Schaltung vorgesehen werden.For a sensor with a heating device operated in a clocked manner, it is preferred that the pump current unit does the corresponding Cycle ratio recorded and drives the pump current depending on the duty cycle of the heating device operated in cycles. In this embodiment too, a measuring device can be provided as an internal or independent unit in the sensor or its connection.
Zusätzlich zu einer externen Messung des Tastverhältnisses ist es möglich, die Pumpstromeinheit derart auszubilden, dass sie von einem die Heizeinrichtung steuernden Gerät eine In- formation über das Tastverhältnis aufnimmt, geeignet auswertet und berücksichtigt.In addition to an external measurement of the pulse duty factor, it is possible to design the pump current unit in such a way that it receives, appropriately evaluates and takes into account information about the pulse duty factor from a device controlling the heating device.
Die Steuerung des Pumpstromes kann sowohl hinsichtlich der Höhe eines gleichmäßig betriebenen Pumpstromes als auch hin- sichtlich der Taktung eines getaktet getriebenen Pumpstromes erfolgen. Bei letzterer Form wird üblicherweise die Taktung geeignet beeinflusst werden, beispielsweise indem das Tastverhältnis verändert wird.The pump current can be controlled both with regard to the level of a uniformly operated pump current and with regard to the timing of a pump current driven in a clocked manner. In the latter form, the clocking will usually be suitably influenced, for example by changing the pulse duty factor.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beispielhalber noch näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:The invention is explained in more detail below by way of example with reference to the drawings. In the drawings:
Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung durch einen NOx-Messaufnehmer mit zugehöriger Beschaltung undFig. 1 is a schematic sectional view through a NOx sensor with associated wiring and
Fig. 2 ein Blockschaltbild der Beschaltung des Messaufnehmers der Fig. 1.FIG. 2 shows a block diagram of the circuitry of the sensor of FIG. 1.
Fig. 1 zeigt einen schematischen Schnitt durch einen NOx- Messaufnehmer, der die NOx-Konzentration im Abgastrakt einer Brennkraftmaschine erfasst. Dieser, aus einem Festkorperelektrolyten, 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 von einem Heizungsregler H gesteuerten, elektrischen Heizer 13 auf Betriebstempe- ratur 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 Aus- führungsbeispiel ist dazu eine Druckausgleichsöffnung 14 in Form eines Pinhole vorgesehen.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 1, 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 measuring sensor 1 is controlled by an electric heater 13 controlled by a heating controller H to the operating temperature. brought. 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. In the exemplary embodiment, a pressure compensation opening 14 in the form of a pinhole is provided for this purpose.
Die Nernstspannung VO ist also auf den Sauerstoffgehalt in der Referenzzelle 12 bezogen, in der sich die Referenzelekt- rode 11 befindet. Die Bedeutung dieses Sachverhalts wird später noch eingehender erläutert .The Nernst voltage VO is therefore 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.
Eine erste Schaltkreisanordnung stellt in der ersten Messzelle 4 eine vorbestimmte Sauerstoffkonzentration ein. Dazu wird die erste Nernstspannung V0 von einem Regler abgegriffen, der eine Treiberspannung VpO stellt, welche einen ersten Sauerstoffionenpumpstrom IpO durch den Festkorperelektrolyten 2 des Messaufnehmers 1 zwischen der ersten Elektrode 5 und einer Außenelektrode 6 treibt. Dabei wird in der ersten Mess- zelle 4 eine vorbestimmte Sauerstoffkonzentration eingerichtet, die über die Nernstspannung V0 zwischen der Elektrode 5 und der Referenzelektrode 11 gemessen wird. Die zur Regelung nötige Messung des ersten Sauerstoffionen-Pumpstroms IpO erfolgt über einen Messwiderstand RO und ein Voltmeter VO . Diese werden über einen A/D-Wandler mit einem Innenwiderstand realisiert .A first circuit arrangement sets a predetermined oxygen concentration in the first measuring cell 4. For this purpose, the first Nernst voltage V0 is tapped by a regulator which provides a driver voltage VpO 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. In this case, a predetermined oxygen concentration is set up in the first measuring cell 4, which is measured via the Nernst voltage V0 between the electrode 5 and the reference electrode 11. The measurement of the first oxygen ion pump current IpO required for regulation is carried out via a measuring resistor RO and a voltmeter VO. These are implemented using an A / D converter with an internal resistance.
Die zweite Messzelle 8 ist mit der ersten Messzelle 4 über eine weitere Diffusionsbarriere 7 verbunden. Durch diese Dif- fusionsbarriere 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 Sauerstoff onzentration ein. Dazu wird zwischen einer zweiten Elektrode 9 und der Referenzelektrode 11 eine zweite Nernstspannung VI abgegriffen und einem Regler zugeführt, der eine zweite Treiberspannung Vpl bereitstellt, 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 ein Messwiderstand Rlm und ein Voltmeter Vlm verwendet .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. For this purpose, 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 drive voltage Vpl, 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 the to further reduce the second measuring cell 8. Here too, a measuring resistor Rlm and a voltmeter Vlm are used to control the second oxygen ion pumping current Ipl.
Die zweite Schaltkreisanordnung regelt den zweiten Sauerstoffionen-Pumpstrom Ipl so, dass sich in der zweiten Mess- zelle 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 ei- nem 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 einThe 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 large that NOx is not affected by the processes taking place, in particular it is not decomposed. The NOx is now pumped in a second oxygen ion pump current Ip2 from the measuring electrode 10 to the outer electrode 6 in the second measuring cell 8 at a measuring electrode 10, which can be configured catalytically. Since the residual oxygen content in the measuring cell 8 has been reduced to such an extent that the oxygen ion pumping current Ip2 is essentially carried only by oxygen ions which originate from the decomposition of NOx at the measuring electrode 10, the pumping current Ip2 is on
Maß für die NOx-Konzentration in der Messzelle 8 und somit im zu messenden Abgas. Der dritte Sauerstoffionen-Pumpstrom Ip2 wird über einen Messwiderstand R2m und ein Voltmeter V2m ermittelt, und wie die vorherigen Pumpströme von einer Treiber- Spannung, in diesem Fall Vp2, getrieben, die von einem Regler vorgegeben wird, welcher eine dritte Nernstspannung V2 zwischen der Messelektrode 10 und der Referenzelektrode 11 abgreift.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 determined via a measuring resistor R2m and a voltmeter V2m, and, like the previous pump currents, is driven by a driver voltage, in this case Vp2, which is specified by a controller which has a third Nernst voltage V2 between the measuring electrode 10 and the reference electrode 11 taps.
Der Messaufnehmer 1 wird aus einer Batterie B gespeist, aus der auch die Treiberspannungen usw. abgeleitet werden. Die Batterie B ist über (nicht dargestellte) Leitungen geeignet mit allen aktiven Bauelementen 13 verbunden, insbesondere mit dem Heizungsregler H.The sensor 1 is fed from a battery B, from which the driver voltages etc. are also derived. The battery B is suitable via lines (not shown) connected to all active components 13, in particular to the heating controller H.
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 einge- stellt, indem mittels einer gesteuerten Stromguelle UI ein vierter Sauerstoffionen-Pumpstrom Ip3 von der Außenelektrode zur Referenzelektrode 11 getrieben wird, der Sauerstoff in die Referenzzelle 12 hineinpumpt. Die Stromquelle UI wird dabei mittels einer Stellspannung Vs gesteuert, die von einem Controller C abgegeben wird. Optional ist auch eine andere, analoge Schaltung möglich. Der Controller C ist zur Einstellung des vierten Pumpstromes Ip3 nach dem in Fig. 2 als Blockschaltbild dargestelltem Schema beschaltet.In order to have a constant reference potential available in the reference electrode 11 when measuring the Nernst voltages, the reference cell 12 is essentially sealed off from the ambient air. Furthermore, due to unavoidable diffusion processes, an increased partial oxygen pressure compared to the environment is set in the reference cell 12 by driving a fourth oxygen ion pump current Ip3 from the outer electrode to the reference electrode 11 by means of a controlled current source UI, which pumps oxygen into the reference cell 12. The current source UI is controlled by means of a control voltage Vs, which is output by a controller C. A different, analog circuit is also optionally possible. The controller C is connected for setting the fourth pump current Ip3 according to the diagram shown in FIG. 2 as a block diagram.
Der Controller C wird über Steuerleitungen SI und S2 von einer Messeinrichtung M angesteuert. Der Controller C und die Messeinrichtung M sind damit Teil einer Pumpstromeinheit. Die über die Steuerleitungen Sl und S2 übermittelten Signale berücksichtigt der Controller C bei der Einstellung der Stell- Spannung VS, die den vierten Sauerstoffionen-Pumpstrom Ip3 stellt. Je nach dem Signal auf den Steuerleitungen Sl und S2 variiert der Controller C dabei den maximalen Pegel des vierten Sauerstoffionen-Pumpstroms Ip3.The controller C is controlled by a measuring device M via control lines SI and S2. The controller C and the measuring device M are therefore part of a pump current unit. The controller C takes the signals transmitted via the control lines S1 and S2 into account when setting the control voltage VS, which sets the fourth oxygen ion pump current Ip3. Depending on the signal on the control lines S1 and S2, the controller C varies the maximum level of the fourth oxygen ion pump current Ip3.
Die Messeinrichtung M erfasst über Messabgriffe Ml und M2 Betriebsparameter des Heizungsreglers H und gibt an den Steuerleitungen Sl und S2 ein entsprechendes Signal ab. In einer ersten Ausführungsform ist der von der Messeinrichtung M er- fasste Betriebsparameter die Versorgungsspanner des Heizers 13. In einer zweiten Ausführungsform steuert der Heizungsregler H den Heizer 13 getaktet gemäß einem Tastverhältnis an, und die Messeinrichtung M ermittelt über die Messabgriffe Ml und M2 das von der Heizungsregelung H eingestellte Tastverhältnis .The measuring device M detects operating parameters of the heating controller H via measuring taps M1 and M2 and outputs a corresponding signal on the control lines S1 and S2. In a first embodiment, the operating parameter detected by the measuring device M is the supply tensioner of the heater 13. In a second embodiment, the heating controller H controls the heater 13 in a clocked manner according to a pulse duty factor, and the measuring device M uses the measuring taps Ml and M2 the duty cycle set by the heating control H.
Der derart ermittelte Betriebsparameter des Heizers 13 wird von der Messeinrichtung M gemäß einem zuvor ermittelten Zusammenhang zwischen Betriebsparameter und Pumpen von Sauerstoff zur Referenzelektrode 11 hin in die Steuerinformation umgesetzt, die über die Steuerleitung Sl und S2 dem Controller C zugeführt wird. In einer Variante kann dabei ein linea- rer Zusammenhang zwischen Betriebsparameter, z.B. Batteriespannung, und Pumpstrom angenommen werden. Komplexere Zusammenhänge können als geeignete Funktionen oder durch geeignet hinterlegte Kennfelder realisiert werden.The operating parameter of the heater 13 determined in this way is converted by the measuring device M into the control information, which is supplied to the controller C via the control lines S1 and S2, according to a previously determined relationship between the operating parameters and the pumping of oxygen to the reference electrode 11. In a variant, a linear relationship between operating parameters, e.g. Battery voltage and pump current are assumed. More complex relationships can be realized as suitable functions or through suitably stored maps.
In einer alternativen Ausführungsform findet die Messung unter Rückgriff auf den Heizungsregler H statt. Dies kommt beispielsweise für Ausführungsformen in Frage, bei denen der Heizungsregler H den Heizer 11 gemäß einem Tastverhältnis getaktet bestromt. Die Messeinrichtung ist dann derart reali- siert, dass der Heizungsregler H das Tastverhältnis direkt an den Controller C zu geeigneten Berücksichtigung bei der Einstellung des vierten Sauersto fionen-Pumpstroms Ip3 meldet.In an alternative embodiment, the measurement takes place using the heating controller H. This is possible, for example, for embodiments in which the heating controller H energizes the heater 11 according to a pulse duty factor. The measuring device is then implemented in such a way that the heating controller H reports the pulse duty factor directly to the controller C for appropriate consideration when setting the fourth oxygen pump current Ip3.
In einer weiteren (in Figur 2 nicht dargestellten) Abwandlung erfasst die Messeinrichtung M als Bestandteil der Pumpstrom- eineinheit nicht direkt Werte des Heizungsreglers H, sondern fühlt die Spannung der Batterie B ab. In a further modification (not shown in FIG. 2), the measuring device M, as part of the pump current unit, does not directly record values of the heating controller H, but rather senses the voltage of the battery B.

Claims

Patentansprüche claims
1. Vorrichtung zur Messung einer Gas-Konzentration in einem Messgas, die aufweist: - eine Außenelektrode (6), die mit einem Festkorperelektrolyten (2) verbunden und dem Messgas ausgesetzt ist, und1. Device for measuring a gas concentration in a measuring gas, comprising: - an outer electrode (6) which is connected to a solid electrolyte (2) and is exposed to the measuring gas, and
- eine mit dem Festkorperelektrolyten (2) verbundenen Referenzelektrode (11) , über der mittels eines durch den Festkorperelektrolyten (2) fließenden Pumpstromes (Ip3) eine kon- stante Sauerstoffkonzentration einstellbar ist, die sich von der Sauerstoffkonzentration im Messgas unterscheidet, und- A reference electrode (11) connected to the solid electrolyte (2), via which a constant oxygen concentration can be set by means of a pump current (Ip3) flowing through the solid electrolyte (2) and which differs from the oxygen concentration in the sample gas, and
- wobei zwischen Referenzelektrode (11) und Außenelektrode (6) eine den Pumpstrom (Ip3) treibende Pumpstromeinheit (C, UI3) geschaltet ist und die Vorrichtung durch eine elektri- sehe Heizeinrichtung geheizt wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Pu p- stromeineinheit (C, UI3) einen Betriebsparameter der Heizeinrichtung (13) erfasst und den Pumpstrom (Ip3) abhängig vom Messwert einstellt.- A pump current unit (C, UI3) driving the pump current (Ip3) is connected between the reference electrode (11) and the outer electrode (6) and the device is heated by an electrical heating device, characterized in that the pump unit (C, UI3) detects an operating parameter of the heating device (13) and sets the pump current (Ip3) depending on the measured value.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Pu pstromeineinheit (C, UI3) als Betriebsparameter die Höhe einer Versorgungsspannung (B) erfasst und die Höhe des Pumpstromes (Ip3) abhängig von der Höhe der Versorgungsspan- nung (B) wählt.2. Device according to claim 1, characterized in that the pump current unit (C, UI3) detects the level of a supply voltage (B) as an operating parameter and selects the level of the pump current (Ip3) depending on the level of the supply voltage (B).
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung (13) gemäß einem Tastverhältnis getaktete wird, die Pumpstromeinheit (C, UI3) das Tastver- hältnis erfasst und den Pumpstrom (Ip3) abhängig vom Tastverhältnis treibt.3. Device according to claim 1 or 2, characterized in that the heating device (13) is clocked according to a duty cycle, the pump current unit (C, UI3) detects the duty cycle and drives the pump current (Ip3) depending on the duty cycle.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpstromeinheit den Pumpstrom (Ip3) getaktet treibt, wo- bei die Taktung abhängig vom Tastverhältnis ist. 4. The device according to claim 3, characterized in that the pumping current unit drives the pumping current (Ip3) clocked, the clocking being dependent on the pulse duty factor.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpstromeinheit eine Messeinrichtung (M) aufweist.5. The device according to claim 1, characterized in that the pump current unit has a measuring device (M).
6. Verfahren zum Messen der NOx-Konzentration in einem Mess- gas, wobei in einer mittels einer Heizeinrichtung beheizten6. Method for measuring the NOx concentration in a sample gas, in a heated by means of a heating device
Vorrichtung mit einer Außenelektrode, die mit einem Festkorperelektrolyten verbunden und dem Messgas ausgesetzt ist, und einer ebenfalls mit dem Festkorperelektrolyten verbundenen Referenzelektrode über einen von der Außenelektrode zur Refe- renzelektrode getriebenen Pumpstrom Sauerstoff vom Messgas von der Außenelektrode zur Referenzelektrode transportiert wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Pumpstrom abhängig von einem Betriebsparameter der Heizeinrich- tung gewählt wird.Device with an outer electrode, which is connected to a solid electrolyte and exposed to the measurement gas, and a reference electrode, also connected to the solid electrolyte, via a pump current driven from the outer electrode to the reference electrode, oxygen is transported from the measurement gas from the outer electrode to the reference electrode, characterized in that the Pump current is selected depending on an operating parameter of the heating device.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe der Versorgungsspannung erfasst und der Pumpstrom abhängig von der Höhe der Versorgungsspannung gewählt wird.7. The method according to claim 6, characterized in that the level of the supply voltage is detected and the pump current is selected depending on the level of the supply voltage.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung gemäß einem Tastverhältnis getaktet betrieben und der Pumpstrom abhängig vom Tastverhältnis gewählt wird.8. The method according to claim 6 or 7, characterized in that the heating device is operated clocked according to a duty cycle and the pump current is selected depending on the duty cycle.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Pumpstrom getaktet getrieben wird und die Taktung abhängig vom Tastverhältnis der Heizeinrichtung gewählt wird. 9. The method according to claim 8, characterized in that the pump current is driven clocked and the clocking is selected depending on the duty cycle of the heating device.
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