WO2006067054A1 - Verfahren und vorrichtung zum regeln einer gas-messsonde - Google Patents

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WO2006067054A1
WO2006067054A1 PCT/EP2005/056631 EP2005056631W WO2006067054A1 WO 2006067054 A1 WO2006067054 A1 WO 2006067054A1 EP 2005056631 W EP2005056631 W EP 2005056631W WO 2006067054 A1 WO2006067054 A1 WO 2006067054A1
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pumping current
voltage
probe
current
pumping
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Application number
PCT/EP2005/056631
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English (en)
French (fr)
Inventor
Berndt Cramer
Bernd Schumann
Thorsten Ochs
Helge Schichlein
Sabine Thiemann-Handler
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/02—Circuit arrangements for generating control signals
    • F02D41/14—Introducing closed-loop corrections
    • F02D41/1438—Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor
    • F02D41/1493—Details
    • F02D41/1494—Control of sensor heater

Definitions

  • the invention relates to a method for regulating a gas measuring probe, in particular a lambda probe, with a potentiostat which regulates the pumping current via a pump current branch such that a desired Nernst voltage is established in a measuring cell, as well as an apparatus for carrying out the method.
  • Such a method and such a device for controlling a gas measuring probe are described as being essentially known from DE 103 16 645 A1 with further references cited therein.
  • the measuring probe is used, for example, for the exhaust gas measurement of internal combustion engines.
  • Such amperometric solid electrolyte exhaust gas sensors or gas measuring probes for detecting oxygen and noxious gases in the exhaust gas have a sensor chamber which is connected to the exhaust gas space via a diffusion barrier.
  • an inner pumping electrode In the sensor chamber is an inner pumping electrode. It forms a pump cell with the outer pump electrode located in the exhaust gas, via which oxygen ions can be pumped out through the electrolyte material out of or into the sensor chamber.
  • the air reference electrode which is in a reference air atmosphere
  • the inner pumping electrode forms a measuring cell with which the oxygen partial pressure in the sensor chamber can be measured.
  • the oxygen partial pressure in the chamber is determined by the Nernst potential known from thermodynamics.
  • the potential difference forming in the thermodynamic equilibrium between the air reference electrode and the inner pumping electrode is therefore proportional to the logarithm of the ratio of the oxygen partial pressure in the reference air atmosphere to the oxygen partial pressure of the sensor chamber.
  • a lean exhaust gas ie lambda> 1
  • oxygen is pumped out of the sensor chamber to the outside, with rich exhaust gas, ie lambda ⁇ 1
  • the pumping direction is reversed, and it is oxygen from the Exhaust gas (by decomposition of water and carbon dioxide) pumped into the sensor chamber.
  • the pumping current is therefore a clear measure of the oxygen partial pressure in the exhaust gas.
  • the pumping current is proportional to the oxygen partial pressure in the exhaust gas.
  • the pumping current depends on the temperature via the diffusion coefficient for molecular oxygen in the diffusion barrier.
  • known electrochemical potentiostats are used for the adjustment of the electrical potentials and the conversion of the electrode currents into voltage signals.
  • the ohmic resistance of the electrolyte material is highly temperature dependent.
  • the circuit arrangement of a conventional potentiostat with impedance measurement has the disadvantage that the setpoint voltage for the control at the potentiostat input is faulty and falsifies the impedance measurement for the temperature control by the potentiostat and thus becomes inaccurate.
  • the invention has for its object to provide a method and an apparatus for controlling a gas measuring probe of the type mentioned, through which a more accurate control of the pumping voltage at the outer pumping electrode is achieved.
  • the pumping current during the control is temporarily switched off by means of a disconnection device in the pumping current branch, so that the measuring probe is not loaded via the pumping current branch during disconnection, the disconnection taking place only so long as the regulation of the pumping current remains ensured ,
  • a control device is provided for controlling the cut-off device and, if appropriate, a connection device for feeding in the alternating current of the impedance measuring device.
  • FIGS. 1 and 2. 2 shows an electrical equivalent circuit diagram for the sensor element of the gas measuring probe shown in FIG. 1, the inner control loop of an electrochemical potentiostat PO in schematic form and an impedance measuring device IM. Lead resistances to the outer pumping electrode APE, the air reference electrode LR and the inner pumping electrode IPE are neglected.
  • a voltage ULR between the air reference electrode LR and the inner pumping electrode IPE is composed of a DC component and an AC component:
  • UNIST is the Nernst voltage of the measuring cell MZ and uLR the AC voltage resulting from the impedance excitation with the AC current iLR of the impedance measuring device IM.
  • the amplitude of the resulting AC voltage I uLR I is a measure of the magnitude of the impedance of the path between the air reference electrode LR and the inner pumping electrode IPE.
  • the resistance RIPE of the electrolyte between the inner pumping electrode IPE and the air reference electrode LR multiplied by the pumping current I P is an ohmic voltage drop which arises due to the current flow through the electrolyte along the route air reference electrode LR to the inner pumping electrode IPE and hereinafter also called IR voltage drop ,
  • the resistance RAPE further shown in FIG. 2 is the resistance of the path between the outer pumping electrode APE and the air reference electrode LR.
  • RGES RIPE + RAPE applies. How the resistance components RIPE and RAPE distribute themselves to the total resistance RGES is not directly measurable and depends on the respective sensor geometry. In order to measure the impedance, the alternating current iLR with constant amplitude is impressed on the air reference electrode LR and closes off to ground via the inner pumping electrode IPE.
  • the IR voltage drop is compensated by the temporary shutdown of the pump current I P , while the control is again taking into account this voltage drop when the pump current I P is turned on, so that the IR voltage drop is completely and independently compensated by the current pump current and the potentiostat PO regulates to the actual Nernst voltage.
  • Accurate temperature control is obtained by switching on an impedance measuring device which is active on the measuring cell during the switching off of the pumping current, the embodiment advantageously being that an alternating current of constant amplitude is fed into the measuring cell by means of the impedance measuring device whose period is at most one third, better is at most one-fifth or one-sixth of the turn-off time, and that the amplitude of the AC voltage resulting from the AC is detected and used as a measure of the operating temperature of the probe and its temperature control, the frequency of the temperature measurement (or impedance measurement) being selected such that In the case of temperature control, a constant operating temperature of the measuring probe is established.
  • the falsification of the AC voltage uLR is on the order of magnitude of the measurement signal and therefore leads to a significant error in the impedance measurement.
  • a counter-regulation of the potentiostat PO is prevented, so that the impedance response in the form of the AC voltage uLR of the system is not falsified.
  • An advantageous embodiment of the scheme is that the detected during operation of the pumping current, operating Nernstschreib the measuring cell is held that during the shutdown of the pumping current, the unloaded true Nernst voltage is detected that from a deviation of the true Nernst voltage and the operating Nernstschreib a Error size is determined and that the error size is fed to a controller input and the deviation is compensated by the controller.
  • the measuring cell MZ is unloaded.
  • ie iLR 0, the voltage between the air reference electrode LR and the inner pumping electrode IPE then corresponds to the Nernst voltage UNIST of the measuring cell MZ.
  • the current value of the IR voltage drop can be measured. This value or a corresponding variable is switched to the potentiostat or control input as additional setpoint voltage UIRK.
  • the actual (unloaded) Nernst voltage of the measuring cell MZ is regulated, resulting in an accurate adjustment of the oxygen partial pressure pO2K of the sensor chamber.
  • control device also comprises two sample-and-hold circuits for providing the operating Nernst voltage and the true Nernst voltage and a comparator for determining the deviation and a supply device of the error size to the controller input of the potentiostat.
  • 1 is a schematic cross-sectional view of a gas measuring probe
  • 2 a schematic circuit arrangement with an electrical equivalent circuit diagram of the sensor element of a gas measuring probe, a potentiostat and an impedance measuring device
  • FIG. 3 shows a time profile of the voltage between an air reference electrode and an inner pumping electrode before, during and after a potentiostat shutdown and the time average thereof
  • Fig. 5 temporal waveforms of the voltage between the air reference electrode and the inner pumping electrode and a pumping voltage before and during the potentiostat shutdown, when an alternating current of the impedance measuring device is applied even when switched Potentiostaten to the air reference electrode and
  • FIG. 6 shows measurement results of a temperature measurement without potentiostat shutdown and with a potentiostat shutdown according to the invention for different oxygen partial pressures of the exhaust gas.
  • Fig. 3 the time course of the shutdown of the pumping current I P by means of the shutdown device S1 and the impedance measurement by means of the impedance measuring device IM is shown in more detail.
  • the pumping current I P is equal to 0 and the alternating current iLR is connected to the connection device S2 under the control of the control device, ie iLR ⁇ 0.
  • ULR UNIST + uLR
  • ULR the voltage ULR between the air reference electrode LR and the inner pumping electrode IPE
  • the AC component uLR disappears, and the actual Nernst voltage UNIST of the measuring cell MZ is measured, that is, the low-pass filtered voltage U2 between the air reference electrode LR and the inner pumping electrode IPE corresponds.
  • Impedance measuring device IM imprinted AC iLR 0. Behind the low-pass filter TP in the loaded case, the average voltage
  • U1 UNIST + RIPE I P measured.
  • the respective voltage values U1 and U2, respectively, filtered with the low-pass filter TP and measured before the switch-off and during the switch-off, are stored in a first or further sample-and-hold circuit SH1, SH2 until the next measurement. From the low-pass filtered voltages U1, U2 before the shutdown or during the shutdown, the difference is formed in a comparator V and the deviation is obtained:
  • the IR voltage drop can thus be compensated completely and independently of the current pumping current I P using the method presented, so that the potentiostat PO can regulate the actual Nernst voltage.
  • the system is at the stability limit, and at high cut-off frequency, the system may become unstable. It is then necessary to return only one compensation voltage x UIRK with 0 ⁇ x ⁇ 1 to the potentiostat or control input.
  • the potentiostat shutdown or shutdown of the pumping current I P is performed periodically, so that a continuous tracking of the additional target voltage UIRK is possible.
  • the switch-off duration and switch-off period are selected so that the static sensor operation or control operation is not impaired. Laboratory studies have shown that this is guaranteed for a shutdown ⁇ 5% of the operating time. In general, the switch-off duration and switch-off period should be selected as small as possible.
  • the electrical resistance RIPE of the electrolyte changes depending on the sensor temperature.
  • the amplitude of the alternating voltage uLR is therefore a measure of the sensor temperature, because the resistor RIPE is thermally activated.
  • the impedance signal enters the potentiostat control circuit as a fault.
  • the impedance signal is distorted when the potentiostat PO is switched on, since the potentiostat PO counteracts the alternating component uLR by tracking the voltage UAPELR between the outer pumping electrode APE and the air reference electrode LR.
  • the magnitude of the distortion depends on the particular design, the current internal resistance and the frequency characteristics of the potentiostat PO used.
  • the timing of the impedance signal is rectangular, and from its amplitude, the resistance RIPE can be determined with higher accuracy, as Fig. 5 reveals.
  • a temperature signal is determined which is proportional to the amplitude of the AC voltage uLR.
  • FIG. 6 shows curves of this temperature signal with variation of the oxygen partial pressure in the exhaust gas pO2A.
  • the temperature signal at the same temperature is smaller than in the case of shutdown, since the amplitude of the impedance signal is attenuated and distorted without shutdown by the counter-regulation of the potentiostat PO. This source of error is eliminated during the shutdown.
  • the temperature signal shows a cross-sensitivity to the oxygen partial pressure of the exhaust gas pO2A with the potentiostat off. This effect is caused by the different pumping currents I P , which correspond to the respective oxygen partial pressures of the exhaust gas. This changes is the potentiostat internal resistance, which is included in the measurement. This error source is also avoided when the potentiostat PO is switched off.
  • the resistor RIPE can be obtained from one of the equations given above be determined. For this purpose, either the pumping current I P must be determined by the external conditions (calibration operation at defined oxygen partial pressure of the exhaust gas pO2A and sensor temperature), or else the additional setpoint voltage UIRK must be divided by the current measured value of the pumping current I P.
  • the first case has the disadvantage that the resistor RIPE is only available in calibration mode and not in normal operation.
  • the second case requires additional circuitry. It is advantageous in both cases that an impedance measuring device IM can be omitted.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Regeln einer Gas-Messsonde, insbesondere einer Lambdasonde, mit einem Potentiostaten, der über einen Pumpstromzeig den Pumpstrom (IP) so regelt, dass sich in einer Messzelle (MZ) eine gewünschte Nernstspannung (UN) einstellt. Eine genaue Regelung der Messsonde wird dadurch erreicht, dass mittels einer Abschaltvorrichtung (S1) im Pumpstromzweig der Pumpstrom (IP) während der Regelung vorübergehend abgeschaltet wird, so dass während der Abschaltung die Messsonde über den Pumpstromzweig nicht belastet wird, wobei die Abschaltung nur solange erfolgt, dass die Regelung des Pumpstromes (IP) gewährleistet bleibt.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Regeln einer Gas-Messsonde
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Regeln einer Gas-Messsonde, insbesondere einer Lambdasonde, mit einem Potentiostaten, der über einen Pumpstromzweig den Pumpstrom so regelt, dass sich in einer Messzelle eine gewünschte Nernstspannung einstellt, sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Stand der Technik
Ein derartiges Verfahren und eine derartige Vorrichtung zum Regeln einer Gas- Messsonde gehen als im Wesentlichen bekannt aus der DE 103 16 645 A1 mit darin angeführten weiteren Nachweisen hervor. Die Messsonde dient z.B. für die Abgasmessung von Verbrennungsmotoren. Derartige amperometrische Festelektrolyt-Abgassensoren bzw. Gas- Messsonden zum Nachweis von Sauerstoff und Schadgasen im Abgas besitzen eine Sensorkammer, die über eine Diffusionsbarriere mit dem Abgasraum verbunden ist. In der Sensorkammer befindet sich eine innere Pumpelektrode. Sie bildet mit der im Abgas befindlichen äußeren Pumpelektrode eine Pumpzelle, über welche Sauerstoffionen durch das Elektrolytmaterial aus der Sensorkammer heraus oder in diese hineingepumpt werden können. Mit einer weiteren Elektrode, der Luftreferenzelektrode, die sich in einer Referenzluftatmosphäre befindet, bildet die innere Pumpelektrode eine Messzelle, mit derderSauerstoffpartialdruck in der Sensorkammer gemessen werden kann. Der Sauerstoffpartialdruck in der Kammer wird dabei über das aus der Thermodynamik bekannte Nernstpotential bestimmt. Die im thermodynamischen Gleichgewicht zwischen der Luftreferenzelektrode und der inneren Pumpelektrode sich ausbildende Potentialdifferenz ist demnach dem Logarithmus des Verhältnisses des Sauerstoffpartialdrucks in der Referenzluftatmosphäre zu dem Sauerstoffpartialdruck der Sensorkammer proportional.
Durch eine Regelungsschaltung wird die an der äußeren Pumpelektrode anliegende Pumpspannung so eingestellt, dass die zwischen der Luftreferenzelektrode und der inneren Pumpelektrode durch die Potentialdifferenz ausgebildete Nernstspannung und damit der Sauerstoffpartialdruck in der Kammer konstant gehalten werden, beispielsweise bei einer Nernstspannung von 450 mV für lambda = 1 und einer Temperatur von 800° C. Bei magerem Abgas, d.h. lambda > 1, wird in diesem Fall Sauerstoff aus der Sensorkammer nach außen gepumpt, bei fettem Abgas, d.h. lambda < 1, kehrt sich die Pumprichtung um, und es wird Sauerstoff aus dem Abgas (durch Zersetzung von Wasser und Kohlendioxid) in die Sensorkammer gepumpt. Für lambda = 1 im Abgas verschwindet der Pump- ström. Der Pumpstrom ist demnach ein eindeutiges Maß für den Sauerstoffpar- tialdruck im Abgas. Für den Diffusionsgrenzstrom ist der Pumpstrom proportional dem Sauerstoffpartialdruck im Abgas. Zudem hängt der Pumpstrom über den Diffusionskoeffizienten für molekularen Sauerstoff in der Diffusionsbarriere von der Temperatur ab. Für die Einstellung der elektrischen Potentiale und die Wandlung der Elektrodenströme in Spannungssignale werden an sich bekannte elektrochemische Potentiostaten eingesetzt.
Da die Nernstspannung und der Pumpstrom temperaturabhängig sind, ist es für eine genaue Funktion der Messsonde vorteilhaft, dass das Sensorelement mit einem elektrischen Heizer unabhängig von den Umgebungsbedingungen auf eine fest vorgegebene Betriebstemperatur geregelt wird. Die Regelung der Heizenergie wird durch ein Temperatursignal des Sensorelementes vorgenommen, das beispielsweise mittels einer elektrischen Impedanzmessung der Messsonde zwischen der Luftreferenzelektrode und der inneren Pumpelektrode gewonnen wird. Dabei wird der Effekt ausgenutzt, dass der ohmsche Widerstand des Elektrolytmaterials stark temperaturabhängig ist.
Die Schaltungsanordnung eines herkömmlichen Potentiostaten mit Impedanzmessung hat den Nachteil, dass die Sollspannung für die Regelung am Potentiostateingang fehlerbehaftet ist und die Impedanzmessung für die Temperaturregelung durch den Potentiostaten verfälscht und dadurch ungenau wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung zum Regeln einer Gas-Messsonde der eingangs genannten Art bereitzustellen, durch die eine genauere Regelung der Pumpspannung an der äußeren Pumpelektrode erreicht wird.
Vorteile der Erfindung
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruches 1 bzw. den Merkmalen des Anspruches 6 gelöst. Bei dem Verfahren ist demnach vorgesehen, dass mittels einer Abschaltvorrichtung im Pumpstromzweig der Pumpstrom während der Regelung vorübergehend abgeschaltet wird, so dass während der Abschaltung die Messsonde über den Pumpstromzweig nicht belastet wird, wobei die Abschaltung nur solange erfolgt, dass die Regelung des Pumpstromes gewährleistet bleibt. Bei der Vorrichtung ist vorgesehen, dass zur Steuerung der Abschaltvorrichtung und gegebenenfalls einer Aufschaltvorrichtung für die Einspeisung des Wechselstroms der Impedanzmesseinrichtung eine Steuereinrichtung vorhanden ist.
Dabei geht die Erfindung von folgenden Überlegungen aus, die anhand der Fig. 1 und 2 erläutert werden. In Bild 2 ist ein elektrisches Ersatzschaltbild für das Sensorelement der in Fig. 1 gezeigten Gas-Messsonde, den inneren Regelkreis eines elektrochemischen Potentiostaten PO in schematischer Form und eine Impedanzmesseinrichtung IM dargestellt. Zuleitungswiderstände zu der äußeren Pumpelektrode APE, der Luftreferenzelektrode LR und der inneren Pumpelektrode IPE sind vernachlässigt. Eine Spannung ULR zwischen der Luftreferenzelektrode LR und der inneren Pumpelektrode IPE setzt sich aus einem Gleichanteil und einem Wechselanteil zusammen:
ULR = UNIST + RIPE [IP + iL R (t)] = UNIST + RIPE IP + uLR(t). Hierin sind UNIST die Nernstspannung der Messzelle MZ und uLR die Wechselspannung, die aus der Impedanzanregung mit dem Wechselstrom iLR der Impedanzmesseinrichtung IM resultiert. Die Amplitude der resultierenden Wechselspannung I uLR I ist ein Maß für den Betrag der Impedanz der Strecke zwischen der Luftreferenzelektrode LR und der inneren Pumpelektrode IPE. Der Widerstand RIPE des Elektrolyten zwischen der inneren Pumpelektrode IPE und der Luftreferenzelektrode LR multipliziert mit dem Pumpstrom IP ist ein ohmscher Spannungsabfall, der aufgrund des Stromflusses durch den Elektrolyten längs der Strecke Luftreferenzelektrode LR zur inneren Pumpelektrode IPE entsteht und nachfolgend auch IR-Spannungsabfall genannt wird. Der in Fig. 2 weiterhin gezeigte Widerstand RAPE ist der Widerstand der Strecke zwischen der äußeren Pumpelektrode APE und der Luftreferenzelektrode LR. Für den gesamten ohmschen Widerstand des Elektrolyten gilt RGES = RIPE + RAPE. Wie sich die Widerstandsanteile RIPE und RAPE auf den Gesamtwiderstand RGES verteilen, ist nicht direkt messbar und hängt von der jeweiligen Sensorgeometrie ab. Zur Messung der Impedanz wird an der Luftreferenzelektrode LR der Wechselstrom iLR mit konstanter Amplitude eingeprägt, der über die innere Pumpelektrode IPE nach Masse abschließt.
Wie die Erfinder in einer näheren Betrachtung der Schaltungsanordnung eines solchen Potentiostaten PO mit Impedanzmessung gefunden haben, weist diese verschiedene Nachteile auf:
Im statischen Betrieb, d.h. ohne Impedanzanregung, gilt für die Sollspannung am Potentiostat- bzw. Reglereingang UNSOLL = UNIST + RIPE IP, d.h. die tatsächliche Nernstspannung UNIST der Messzellen MZ ist gegenüber der Sollspannung UNSOLL um den IR-Spannungsabfall fehlerhaft. Es kann daher für IP ≠ 0 nicht der gewünschte Sauerstoffpartialdruck pO2K der Sensorkammer eingestellt werden. Erfindungsgemäß wird durch die vorübergehende Abschaltung des Pumpstroms IP der IR-Spannungsabfall kompensiert, während die Regelung unter Berücksichtigung dieses Spannungsabfalls wieder bei eingeschaltetem Pumpstrom IP vorgenommen wird, so dass der IR- Spannungsabfall vollständig und unabhängig vom aktuellen Pumpstrom kompensiert wird und der Potentiostat PO auf die tatsächliche Nernstspannung regelt.
Eine genaue Temperaturregelung wird dadurch erhalten, dass während der Abschaltung des Pumpstroms eine an der Messzelle wirksame Impedanzmesseinrichtung zugeschaltet wird, wobei die Ausgestaltung vorteilhaft darin besteht, dass mittels der Impedanzmesseinrichtung ein Wechselstrom konstanter Amplitude in die Messzelle eingespeist wird, dessen Periodendauer höchstens ein Drittel, besser höchstens ein Fünftel oder ein Sechstel der Abschaltdauer beträgt, und dass die Amplitude der sich mit dem Wechselstrom ergebenden Wechselspannung erfasst und als Maß für die Betriebstemperatur der Messsonde und deren Temperaturregelung herangezogen wird, wobei die Häufigkeit der Temperaturmessung (oder Impedanzmessung) so gewählt ist, dass sich bei der Temperaturregelung eine konstante Betriebstemperatur der Messsonde einstellt.
Mit diesen Maßnahmen wird, wie die Erfinder erkannt haben, ein weiterer Nachteil einer herkömmlichen Schaltungsanordnung behoben, der darin besteht, dass im dynamischen Betrieb, d.h. mit Impedanzanregung, der Wechselanteil uLR der Spannung zwischen der Luftreferenzelektrode LR und der inneren Pumpelektrode IPE ein periodisches Abweichen von der Spannung ULR von der Sollspannung UNSOLL bewirkt. Der Potentiostat PO regelt dieser Abweichung entgegen, indem er den Strom von der äußeren Pumpelektrode APE zu der inneren Pumpelektrode IPE entsprechend nachführt. Je nach Grenzfrequenz des Potentiostaten PO wird durch dieses Gegenregeln die Amplitude der Wechselspannung uLR mehr oder minder stark gedämpft, im Extremfall (bei sehr schnellem Potentiostaten PO oder sehr kleiner Frequenz der Impedanzanregung) verschwindet die Wechselspannung uLR sogar völlig. Für typischerweise eingesetzte Potentiostaten liegt die Verfälschung der Wechselspannung uLR in der Größenordnung des Messsignals und führt daher zu einem deutlichen Fehler bei der Impedanzmessung. Durch die Zuschaltung der Impedanzmesseinrichtung IM bzw. des Wechselstroms iLR während der Abschaltung des Pumpstroms wird ein Gegenregeln des Potentiostaten PO verhindert, so dass die Impedanzantwort in Form der Wechselspannung uLR des Systems nicht verfälscht wird. Damit ist eine genaue Impedanzmessung und daraus folgend Temperaturregelung möglich.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung für die Regelung besteht darin, dass die während der Einschaltung des Pumpstroms erfasste, betriebsbezogene Nernstspannung der Messzelle festgehalten wird, dass während der Abschaltung des Pumpstroms die unbelastete wahre Nernstspannung erfasst wird, dass aus einer Abweichung der wahren Nernstspannung und der betriebsbezogenen Nernstspannung eine Fehlergröße ermittelt wird und dass die Fehlergröße einem Reglereingang zugeführt wird und die Abweichung durch den Regler ausgeregelt wird. In dem Zeitraum der Potentiostatabschaltung, in dem kein Pumpstrom IP durch das Sensorelement fließt, ist die Messzelle MZ unbelastet. Für den statischen Fall, d.h. iLR = 0, entspricht die Spannung zwischen der Luftreferenzelektrode LR und der inneren Pumpelektrode IPE dann der Nernstspannung UNIST der Messzelle MZ. Durch den Vergleich mit der Spannung ULR bei fließendem Pumpstrom IP kann der aktuelle Wert des IR-Spannungsabfalls gemessen werden. Dieser Wert bzw. eine entsprechende Größe wird als zusätzliche Sollspannung UIRK auf den Potentiostat- bzw. Regeleingang geschaltet. Mit diesem Verfahren wird auf die tatsächliche (unbelastete) Nernstspannung der Messzelle MZ geregelt, wodurch sich eine genaue Einstellung des Sauerstoffpartialdrucks pO2K der Sensorkammer ergibt.
Eine genaue Regelung über längere Dauer wird dabei dadurch sichergestellt, dass unter wiederholter Abschaltung beim Regelungsbetrieb der Messsonde eine fortlaufende Ausregelung der Abweichung durchgeführt wird.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Vorrichtung besteht darin, dass die Steuereinrichtung auch zwei Abtast-Halte-Gliederzum Bereitstellen der betriebsbezogenen Nernstspannung und der wahren Nernstspannung und einen Vergleicher zum Ermitteln der Abweichung und eine Zuführvorrichtung der Fehlergröße zu dem Reglereingang des Potentiostaten umfasst.
Zeichnungen
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Querschnittsansicht einer Gas-Messsonde, Fig. 2 eine schematische Schaltungsanordnung mit einem elektrischen Ersatzschaltbild des Sensorelementes einer Gas-Messsonde, einem Potentiostaten und einer Impedanzmesseinrichtung,
Fig. 3 einen zeitlichen Verlauf der Spannung zwischen einer Luftreferenzelektrode und einer inneren Pumpelektrode vor, während und nach einer Potentiostat-Abschaltung und des zeitlichen Mittelwertes derselben,
Fig. 4 das Prinzip einer Messschaltung für eine zusätzliche Sollspannung für die Regelung,
Fig. 5 zeitliche Verläufe der Spannung zwischen der Luftreferenzelektrode und der inneren Pumpelektrode sowie einer Pumpspannung vor und während der Potentiostat-Abschaltung, wenn ein Wechselstrom der Impedanzmesseinrichtung auch bei angeschaltetem Potentiostaten an der Luftreferenzelektrode anliegt und
Fig. 6 Messergebnisse einer Temperaturmessung ohne Potentiostat-Abschaltung und mit einer erfindungsgemäßen Potentiostat-Abschaltung für verschiedene Sauerstoffpartialdrücke des Abgases.
Ausführungsbeispiel
Fig. 1, auf die auch schon vorstehend Bezug genommen ist, zeigt eine an sich bekannte Gas-Messsonde, insbesondere Lambdasonde für die Abgasmessung von Brennkraftmaschinen mit schematisch angegebener elektrischer Beschattung. Fig.2, auf die ebenfalls schon vorstehend Bezug genommen ist, zeigt das entsprechende elektrische Ersatzschaltbild des Sensorelementes der Messsonde sowie einen Potentiostaten PO und eine Impedanzmesseinrichtung IM mit einer Abschaltvorrichtung S1 in einem Pumpstromzweig des Potentiostaten PO zu einer äußeren Pumpelektrode APE, mit der ein Pumpstrom IP unter Steuerung durch eine (nicht gezeigte) Steuereinrichtung im Vergleich zu dem gesamten Regelungsvorgang wiederholt kurzzeitig (für eine Dauer von weniger als 5 % oder weniger als 1 % des Regel betriebs) abschaltbar ist. Zur Wirkungsweise der Gas-Messsonde wird auf die eingangs gemachten Ausführungen hingewiesen, in denen auch der erfindungsgemäße Aufbau nach Fig. 2 prinzipiell schon erläutert ist. Nachfolgend wird auf die Funktionsweise unter Bezugnahme auch auf die übrigen Zeichnungen näher eingegangen.
In Fig. 3 ist der zeitliche Verlauf der Abschaltung des Pumpstromes IP mittels der Abschaltvorrichtung S1 und die Impedanzmessung mittels der Impedanzmesseinrichtung IM näher dargestellt. Während der Abschaltung ist der Pumpstrom IP gleich 0 und der Wechselstrom iLR mit der Aufschaltvorrichtung S2 unter Steuerung mittels der Steuereinrichtung aufgeschaltet, d.h. iLR ≠ 0. Für die Spannung ULR zwischen der Luftreferenzelektrode LR und der inneren Pumpelektrode IPE ergibt sich ULR = UNIST + uLR. Durch Tiefpassfilterung der Spannung ULR wird aus dieser Spannung die zeitlich gemittelte Spannung ULRTP zwischen der Luftreferenzelektrode LR und der inneren Pumpelektrode IPE gebildet. Dadurch verschwindet der Wechselanteil uLR, und es wird die tatsächliche Nernstspan- nung UNIST der Messzelle MZ gemessen, die also der tiefpassgefilterten Spannung U2 zwischen der Luftreferenzelektrode LR und der inneren Pumpelektrode IPE entspricht. Vor und nach der Abschaltung, d.h. bei angeschaltetem Potentiostaten PO bzw. eingeschaltetem Pumpstrom IP, gilt IP ≠ 0 und für den durch die
Impedanzmesseinrichtung IM eingeprägten Wechselstrom iLR = 0. Hinter dem Tiefpass TP wird im belasteten Fall die gemittelte Spannung
U1 = UNIST + RIPE IP gemessen. Wie Fig. 4 zeigt, werden die jeweiligen mit dem Tiefpass TP gefilterten, vor der Abschaltung und während der Abschaltung gemessenen Spannungswerte U1 bzw. U2 bis zur nächsten Messung in einem ersten bzw. weiteren Abtast-Halte-Glied SH1, SH2 gespeichert. Aus den tiefpassgefilterten Spannungen U1, U2 vor der Abschaltung bzw. während der Abschaltung wird in einem Vergleicher V die Differenz gebildet und die Abweichung erhalten:
UIRK = UI - U2, wobei die Abweichung als zusätzliche Sollspannung UIRK zur Kompensation bei der Regelung dem Regeleingang des Potentiostaten PO zugeführt wird, wie Fig. 2 zeigt. Aus den vorstehenden Gleichungen ergibt sich
Figure imgf000013_0001
d.h. es wird der aktuelle IR-Spannungsabfall gemessen. Ferner gilt mit der Sollspannung
UNSOLL + UIRK = UNIST + RIP IP und mit den obigen Beziehungen ferner UNSOLL = UNIST.
Der IR-Spannungsabfall kann demnach mit dem vorgestellten Verfahren vollständig und unabhängig vom aktuellen Pumpstrom IP kompensiert werden, so dass der Potentiostat PO auf die tatsächliche Nernstspannung regeln kann. Für den Fall vollständiger Kompensation befindet sich das System an der Stabi-Iitätsgrenze, bei hoher Abschaltfrequenz kann das System instabil werden. Es ist dann notwendig, nur eine Kompensationsspannung x UIRK mit 0 < x < 1 auf den Potentiostat- bzw. Regeleingang zurückzuführen.
Die Potentiostat-Abschaltung bzw. Abschaltung des Pumpstromes IP wird periodisch durchgeführt, so dass eine kontinuierliche Nachführung der zusätzlichen Sollspannung UIRK möglich ist. Dabei wird die Abschaltdauer und Abschaltperiode so gewählt, dass der statische Sensorbetrieb bzw. Regelungsbetrieb nicht beeinträchtigt wird. Laboruntersuchungen haben ergeben, dass dies für eine Abschaltdauer < 5 % der Betriebszeit gewährleistet ist. Generell sollten Abschaltdauer und Abschaltperiode so klein wie möglich gewählt werden.
Nachfolgend wird die vorstehend ebenfalls schon angesprochene Impedanzmessung insbesondere unter Bezugnahme auf die Fig. 2, 3 und 5 näher erläutert. Für den Wechselanteil der Spannung ULR zwischen der Luftreferenzelektrode LR und der inneren Pumpelektrode IP gilt bei ausreichend hoher Frequenz der Impedanzanregung, d.h. des Wechselstroms iLR, für das sich daraus ergebende Impedanzsignal in Form der Wechselspannung uLR uLR = RIPE iLR, wobei sich der elektrische Widerstand RIPE des Elektrolyten in Abhängigkeit der Sensortemperatur ändert. Bei konstanter Amplitude des Wechselstroms iLR ist die Amplitude der Wechselspannung uLR demnach ein Maß für die Sensortemperatur, denn der Widerstand RIPE ist thermisch aktiviert. Das Impedanzsignal geht als Störung in den Potentiostat-Regelkreis ein. Wie in Fig. 5 für den Fall eines rechteckförmigen Impedanzstroms iLR bzw. einer Impedanzanregung dargestellt, wird das Impedanzsignal bei angeschaltetem Potentiostaten PO verzerrt, da der Potentiostat PO durch Nachführen der Spannung UAPELR zwischen der äußeren Pumpelektrode APE und der Luftreferenzelektrode LR dem Wechselanteil uLR entgegenregelt. Die Stärke der Verzerrung hängt von der jeweiligen Bauart, dem aktuellen Innenwiderstand und den Frequenzeigenschaften des verwendeten Potentiostaten PO ab.
Während der Abschaltung entfällt das Gegenregeln des Potentiostaten PO, der zeitliche Verlauf des Impedanzsignals ist rechteckförmig, und aus seiner Amplitude kann der Widerstand RIPE mit höherer Genauigkeit bestimmt werden, wie Fig. 5 erkennen lässt.
Aus der Impedanzmessung wird ein Temperatursignal bestimmt, das der Amplitude der Wechselspannung uLR proportional ist. In Fig. 6 sind Verläufe dieses Temperatursignals bei Variation des Sauerstoffpartialdrucks im Abgas pO2A gezeigt. Im Fall ohne Abschaltung ist das Temperatursignal bei gleicher Temperatur kleiner als im Fall mit Abschaltung, da die Amplitude des Impedanzsignals ohne Abschaltung durch das Gegenregeln des Potentiostaten PO gedämpft und verzerrt ist. Diese Fehlerquelle entfällt während der Abschaltung.
Außerdem zeigt das Temperatursignal bei abgeschaltetem Potentiostaten eine Querempfindlichkeit zu dem Sauerstoffpartialdruck des Abgases pO2A. Dieser Effekt wird durch die unterschiedlichen Pumpströme IP verursacht, die den jeweiligen Sauerstoffpartialdrücken des Abgases entsprechen. Hierdurch ändert sich der Potentiostat-Innenwiderstand, der in die Messung eingeht. Diese Fehlerquelle wird bei abgeschaltetem Potentiostaten PO ebenfalls vermieden.
Eine weitere Anwendung der Potentiostat-Abschaltung ergibt sich aus der Messung der Abweichung zwischen den Spannungen U1 und U2 bzw. der zusätzlichen Sollspannung UIRK. Der Widerstand RIPE kann aus einer der vorstehend angegebenen Gleichungen zu
Figure imgf000016_0001
bestimmt werden. Dazu muss entweder der Pumpstrom IP durch die äußeren Bedingungen festgelegt sein (Eichbetrieb bei definiertem Sauerstoffpartialdruck des Abgases pO2A und Sensortemperatur), oder aber die zusätzliche Sollspannung UIRK muss durch den aktuellen Messwert des Pumpstromes IP dividiert werden. Der erste Fall hat den Nachteil, dass der Widerstand RIPE nur im Eichbetrieb und nicht im Normalbetrieb zur Verfügung steht. Der zweite Fall erfordert zusätzlichen Schaltungsaufwand. Vorteilhaft ist in beiden Fällen, dass eine Impedanzmessvorrichtung IM entfallen kann.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Regeln einer Gas-Messsonde, insbesondere einer Lambdasonde, mit einem Potentiostaten PO, der über einen Pumpstromzweig den Pumpstrom (IP) so regelt, dass sich in einer Messzelle (MZ) eine gewünschte Nernstspannung (UN) einstellt, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Abschaltvorrichtung (S1) im Pumpstromzweig der Pumpstrom (IP) während der Regelung vorübergehend abgeschaltet wird, so dass während der Abschaltung die Messsonde über den Pumpstromzweig nicht belastet wird, wobei die Abschaltung nur solange erfolgt, dass die Regelung des Pumpstromes (IP) gewährleistet bleibt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass während der Abschaltung des Pumpstroms (IP) eine an der Messzelle (MZ) wirksame Impedanzmesseinrichtung (IM) zugeschaltet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Impedanzmesseinrichtung IM ein Wechselstrom (iLR) konstanter Amplitude in die Messzelle (MZ) eingespeist wird, dessen Periodendauer höchstens ein Drittel der Abschaltdauer beträgt, und dass die Amplitude der sich mit dem Wechselstrom (iLR) ergebenden Wechselspannung (uLR) erfasst und als Maß für die Betriebstemperatur der Messsonde und deren Temperaturregelung herangezogen wird, wobei die Häufigkeit der Impedanzmessung so gewählt ist, dass sich bei der Temperaturregelung eine konstante Betriebstemperatur der Messsonde einstellt.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die während der Einschaltung des Pumpstroms (IP ) erfasste, betriebsbezogene Nernstspannung (U1) der Messzelle (MZ) festgehalten wird, dass während der Abschaltung des Pumpstroms (IP) die unbelastete wahre Nernstspannung (U2) erfasst wird, dass aus einer Abweichung der wahren Nernstspannung (U2) und der betriebsbezogenen Nernstspannung (IM) eine Fehlergröße ermittelt wird und dass die Fehlergröße einem Reglereingang zugeführt wird und die Abweichung durch den Regler ausgeregelt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass unter wiederholter Abschaltung beim Regelungsbetrieb der Messsonde eine fortlaufende Ausregelung der Abweichung durchgeführt wird.
6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Steuerung der Abschaltvorrichtung (S1) und gegebenenfalls einer Aufschaltvorrichtung (S2) für die Einspeisung des Wechselstroms (iLR) der Impedanzmesseinrichtung (IM) eine Steuereinrichtung vorhanden ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung auch zwei Abtast-Halte-Glieder (SH1, SH2) zum Bereitstellen der betriebsbezogenen Nernstspannung (U1) und der wahren Nernstspannung (U2) und einen Vergleicher (V) zum Ermitteln der Abweichung und eine Zuführvorrichtung der Fehlergröße zu dem Reglereingang des Potentiostaten (PO) umfasst.
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