WO2006072530A1 - Vorrichtung und verfahren zum betreiben eines sensorelements zur bestimmung der konzentration einer gaskomponente in einem gasgemisch - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zum betreiben eines sensorelements zur bestimmung der konzentration einer gaskomponente in einem gasgemisch Download PDF

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Berndt Cramer
Bernd Schumann
Helge Schichlein
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Robert Bosch Gmbh
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    • 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 operating a sensor element for determining the concentration of a gas component in a gas mixture in accordance with the O-term of claim 1. Furthermore, the invention relates to a method for operating such a sensor element according to the preamble of claim. 4
  • DE 103 16 645 Al discloses a device for operating a gas sensor which has at least one pumping cell and one measuring cell.
  • a pumping current is provided by a constant current source, with which an outer electrode of the pumping cell is acted upon.
  • the constant current source provides at least two different amounts of the pumping current and / or provides for alternating operation with switch-on phases and switch-off phases, wherein the duration of the switch-on / switch-off phases can be predetermined.
  • the device can be implemented as far as possible in digital circuit technology and adapted to different requirements.
  • such a digital electrochemical potentiostat has the following advantages over conventional potentiostats in analog circuit technology: increased accuracy, which is realized by measuring the unloaded voltage of the Nernst cell in the switching pauses in which the sensor is operated without current. Thus, a more accurate adjustment of the Nernst potential and thus a more accurate oxygen characteristic can be achieved. Circuit measures for compensation of the IR error component can be omitted here.
  • This sensor has a high flexibility, since all control loops are easily implemented by software and therefore can be changed without any intervention in the hardware required.
  • a low on-site circuit requirement is required, the functionality can be outsourced, internal resistance measurements are completely eliminated, as the internal resistance can be determined by measuring the difference in unloaded (without pumps) and loaded (with pumps) Nernst voltage.
  • the device known from DE 103 16 645 Al for operating a gas sensor is a two-cell limit current sensor.
  • Such a gas sensor requires at least three electrode leads with the corresponding circuit complexity.
  • the object of the invention is to develop a device for operating a gas sensor of the generic type such that even a single-cell limit current sensor with the same accuracy as a two-cell limit current sensor can be operated. In addition to a much simpler design of the sensor element and the circuit complexity should be significantly reduced.
  • the basic idea of the invention is to operate the cell of a single-cell limit-current sensor alternately as a pumping cell and as a measuring cell.
  • a circuit arrangement is provided which operates in a first switching position, the electrode exposed to the reference gas as external pumping electrode and applied with a pumping current and in a second, pumping current-free switching position, which operates the reference gas exposed electrode as a reference electrode and in this case between the first Determined electrode and the electrode exposed to the reference gas Nernstschreib.
  • it is pumped into the air reference channel, the reference gas being disposed in the air reference channel and usually as the reference electrode designated electrode during pumping as the outer pumping electrode of a two-cell current-limiting sensor is operated.
  • the electrode exposed to the reference gas is preferably impulsively applied to the constant pumping current in cyclical processes.
  • the internal resistance of the sensor element is determined from the difference between the voltages applied in each case between the electrode exposed to the reference gas and the first electrode, while the pumping current is applied to the electrode exposed to the reference gas and without being exposed to the pumping current.
  • Fig. 1 shows schematically a sensor element making use of the invention for determining the concentration of oxygen in the exhaust gas of internal combustion engines
  • the sensor element shown schematically in the figure for determining the concentration of a gas component in a gas mixture, in particular the concentration of oxygen in the exhaust gas of internal combustion engines, has a the exhaust gas 16 of the (not shown) internal combustion engine or other gas mixture exposed, planar sensor body 10 ,
  • the sensor body 10 itself comprises a solid electrolyte 12, for example a Y 2 O 3 stabilized ZrO 2 ceramic, in which, for example, a cuboidal cavity 13 is formed.
  • the cavity 13 is connected via a diffusion barrier 15 with the exhaust gas 16 of the internal combustion engine in conjunction.
  • a first electrode 21 is disposed on the solid electrolyte 12.
  • a further cavity 17 is further provided, which is connected to a reference gas atmosphere 18.
  • a second electrode is disposed on the solid electrolyte 12 which is exposed to the reference gas 18.
  • the first electrode 21 is connected via a line 23 to a circuit arrangement 50
  • the second electrode 22 is connected via a line 24 to the circuit arrangement 50.
  • a heater 30 is further provided, which is also connected via heating lines 31, 32 to the circuit 50.
  • the heating device 30 heats the solid electrolyte 12 to a predeterminable temperature required for the measurement.
  • a known per se Control circuit or a per se known control program for the determination and output of a heating voltage U He i z provided.
  • the sensor element is driven by the circuit arrangement 50 in the manner described below and with reference to the manner exemplified in FIG.
  • the electrode 22 exposed to the reference gas is subjected to an intermittent, constant pumping current.
  • the electrode 22 is - as shown in Fig. 2 - impulsively applied in cyclic processes with the constant pumping current I P , in Fig. 2, the voltage applied to the electrode 22 U RE is shown, resulting from the product of the pumping current I P and the internal resistance of the sensor element R 1 results.
  • both positive voltage pulses and negative voltage pulses can be detected by the circuit arrangement 50.
  • Fig. 2 only a section of the measurement, which takes place over a longer measuring time, is shown. The section shows seven positive and two negative pulses.
  • the Nernst voltage U N which is for example 450 mV.
  • the internal resistance R 1 of the sensor element 10 can now be determined from the difference of the cell voltage U RE during the pumping and the voltage present in the pump-current-free time when the pumping current I P is known:
  • the sensor element 10 is operated both as a pump cell and as a measuring cell.
  • Rode RE can be called, is thus operated during pumping as the outer pumping electrode APE.
  • this electrode 22 is operated as a reference electrode RE, whereas the first electrode 21 is operated as an inner pumping electrode IPE.
  • the circuit arrangement 50 allows switching between the operation as a pumping cell and the operation as a measuring cell.
  • the accuracy corresponds to that of a gas sensor emerging, for example, from DE 103 16 645 A1, wherein a feed line and a chamber can be dispensed with in relation to this sensor element in the case of the sensor element explained here.
  • the sensor element can be used both in the rich and in the lean region of the exhaust gas.

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Abstract

Eine Vorrichtung (und ein entsprechendes Verfahren) zum Betreiben eines Sensorelements (10) zur Bestimmung der Konzentration einer Gaskomponente in einem Gasgemisch, insbesondere der Konzentration von Sauerstoff im Abgas (16) von Brennkraftmaschinen, mit einer an einem Festelektrolyten (12) angeordneten ersten Elektrode (21), die über eine Diffusionsbarriere (15) dem Gasgemisch ausgesetzt ist, und mit einer am Festelektrolyten (12) angeordneten, einem Referenzgas ausgesetzten Elektrode (22), ist durch eine Schaltungsanordnung (50) gekennzeichnet, die in einer ersten Schaltstellung die dem Referenzgas ausgesetzte Elektrode (22) als Außenpumpelektrode (APE) betreibt und mit einem Pumpstrom (IP) beauf- schlagt und die in einer zweiten pumpstromfreien Schaltstellung die dem Referenzgas ausgesetzte Elektrode (22) als Referenzelektrode (RE) betreibt und die zwischen der ersten Elektrode (21) und der dem Referenzgas ausgesetzten Elektrode (22) anliegende Nernstspannung (UN) ermittelt.

Description

VORRICHTUNG UND VERFAHREN ZUM BETREIBEN EINES SENSORELEMENTS ZUR BESTIMMUNG DER KONZENTRATION EINER GASKOMPONENTE IN EINEM GASGEMISCH
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Betreiben eines Sensorelements zur Bestimmung der Konzentration einer Gaskomponente in einem Gasgemisch nach dem O- berbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Sensorelements nach dem Oberbegriff des Anspruchs 4.
Aus der DE 103 16 645 Al geht eine Vorrichtung zum Betreiben eines Gassensors hervor, der wenigstens eine Pumpzelle und eine Meßzelle aufweist. Hierbei wird ein Pumpstrom von einer Konstantstromquelle bereitgestellt, mit dem eine äußere Elektrode der Pumpzelle beaufschlagt wird. Die Konstantstromquelle stellt wenigstens zwei unterschiedliche Beträge des Pumpstroms bereit und/oder sieht einen wechselnden Betrieb mit Einschaltphasen und Ausschaltphasen vor, wobei die Dauer der Einschaltphasen/Ausschaltphasen vorgebbar ist. Die Vorrichtung kann weitestgehend in digitaler Schaltungstechnik realisiert und unterschiedlichen Anforderungen angepaßt werden. Ein solcher digitaler elektrochemischer Potentiostat weist gegenüber herkömmlichen Potenti- ostaten in analoger Schaltungstechnik unter anderem folgende Vorteile auf- eine erhöhte Genauigkeit, die dadurch realisiert wird, daß in den Schaltpausen, in denen der Sensor stromlos betrieben wird, die unbelastete Spannung der Nernstzelle gemessen wird. Damit ist eine genauere Einstellung des Nernstpotentials und damit eine genauere Sauerstoffkennlinie erzielbar. Schaltungsmaßnahmen zur Kompensation des IR-Fehleranteils können hierbei entfallen. Dieser Sensor weist eine hohe Flexibilität auf, da alle Regelkreise auf einfache Weise durch Software realisierbar sind und daher geändert werden können, ohne daß Eingriffe in die Hardware erforderlich werden. Schließlich ist ein geringer Schaltungsbedarf vor Ort erforderlich, die Funktionalität kann ausgelagert werden, Messungen des Innenwiderstands entfallen vollständig, da der Innenwiderstand durch Messungen der Differenz an unbelasteter (ohne Pumpen) und belasteter (mit Pumpen) Nernstspannung bestimmt werden kann.
Die aus der DE 103 16 645 Al bekannte Vorrichtung zum Betreiben eines Gassensors ist ein Zweizellen-Grenzstromsensor. Ein solcher Gassensor erfordert wenigstens drei Elektroden-Zuleitungen mit dem entsprechenden Schaltungsaufwand. Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum Betreiben eines Gassensors der gattungsgemäßen Art dahingehend weiterzubilden, daß auch ein Einzellen-Grenzstromsensor mit der gleichen Genauigkeit wie ein Zweizellen-Grenzstromsensor betrieben werden kann. Neben einem wesentlich einfacheren Aufbau des Sensorelementes soll auch der Schaltungsaufwand erheblich reduziert werden.
Die Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Ansprüchen 1 und 4 angegebenen Merkmale gelöst.
Vorteile der Erfindung
Grundidee der Erfindung ist es, die Zelle eines Einzellen-Grenzstromsensors abwechselnd als Pumpzelle und als Meßzelle zu betreiben. Hierzu ist eine Schaltungsanordnung vorgesehen, die in einer ersten Schaltstellung, die dem Referenzgas ausgesetzte Elektrode als Außenpumpelektrode betreibt und mit einem Pumpstrom beaufschlagt und die in einer zweiten, pumpstromfreien Schaltstellung, die dem Referenzgas ausgesetzte Elektrode als Referenzelektrode betreibt und die in diesem Fall zwischen der ersten Elektrode und der dem Referenzgas ausgesetzten Elektrode anliegende Nernstspannung ermittelt. Es wird also mit anderen Worten in den Luftreferenzkanal gepumpt, wobei die im Luftreferenzkanal angeordnete dem Referenzgas ausgesetzte und gewöhnlich als Referenzelektrode bezeichnete Elektrode während des Pumpens wie die äußere Pumpelektrode eines Zweizellen-Grenzstromsensors betrieben wird.
Bevorzugt wird dabei mit einem Konstantstrom gepumpt, wobei die Beaufschlagung mit einem intermittierenden Pumpstrom erfolgt. Dabei wird die dem Referenzgas ausgesetzte Elektrode vorzugsweise mit dem konstanten Pumpstrom in zyklisch ablaufenden Vorgängen impulsartig beaufschlagt. Der Innenwiderstand des Sensorelements wird hierbei aus der Differenz der Spannungen ermittelt, die jeweils zwischen der dem Referenzgas ausgesetzten Elektrode und der ersten Elektrode anliegen, während die dem Referenzgas ausgesetzte Elektrode mit dem Pumpstrom beaufschlagt wird und ohne Beaufschlagung mit dem Pumpstrom. Durch das Pumpen mit gewissermaßen Konstantstrom-Paketen ist es so möglich, in den Schaltpausen die "unbelastete" Nernstspannung zu messen, wobei aus der Differenz von "unbelasteter" (ohne Pumpen) und "belasteter" (mit Pumpen) Zellspannung bei bekanntem Konstantstrom der Innenwiderstand des Sensorelements bestimmt wird.
Hierdurch wird eine wesentlich höhere Genauigkeit der Sauerstoffpumpstromkennlinie im Vergleich mit an sich bekannten (Einzellen-)Sensorelementen erzielt, insbesondere wird wenigstens die gleiche Genauigkeit der Sauerstoffpumpstromkennlinie wie mit der aus der DE 103 16 645 Al bekannten Vorrichtung zum Betreiben des Gassensors erzielt, gegenüber der eine Zuleitung und eine Kammer eingespart werden können. Darüber hinaus ist es möglich, sowohl im fetten als auch im mageren Bereich des Abgases zu messen.
Als weiterer Vorteil ergibt sich eine verringerte λ = 1 -Welligkeit. Hierunter wird ein dynamischer Monotoniebruch bei rampenförmiger Gasanregung um den Stöchiometrie- punkt aufgrund des Nernstspannungswechsels an der äußeren Pumpelektrode verstanden, der ausbleibt, wenn sich diese im Luftreferenzkanal befindet.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung sowie der zeichnerischen Darstellung eines Ausführungsbeispiels. Zeichnung
In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 schematisch ein von der Erfindung Gebrauch machendes Sensorelement zur Bestimmung der Konzentration von Sauerstoff im Abgas von Brennkraftmaschinen;
Fig. 2 schematisch den Zeitverlauf der zwischen den Elektroden anliegenden Spannung bei λ = l.
Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
Das in der Figur schematisch dargestellte Sensorelement zur Bestimmung der Konzentration einer Gaskomponente in einem Gasgemisch, insbesondere der Konzentration von Sauerstoff im Abgas von Brennkraftmaschinen, weist einen dem Abgas 16 der (nicht dargestellten) Brennkraftmaschine oder einem sonstigen Gasgemisch ausgesetzten, plana- ren Sensorkörper 10 auf. Der Sensorkörper 10 selbst umfaßt einen Festelektrolyten 12, z.B. eine mit Y2O3 stabilisierte ZrO2-Keramik, in dem ein beispielsweise quaderförmiger Hohlraum 13 ausgebildet ist. Der Hohlraum 13 steht über eine Diffusionsbarriere 15 mit dem Abgas 16 der Brennkraftmaschine in Verbindung.
In dem Hohlraum 13 ist an dem Festelektrolyten 12 eine erste Elektrode 21 angeordnet. In dem Festelektrolyten 12 ist ferner ein weiterer Hohlraum 17 vorgesehen, der mit einer Referenzgasatmosphäre 18 verbunden ist. In dem zweiten Hohlraum 17 ist eine zweite Elektrode an dem Festelektrolyten 12 angeordnet, die dem Referenzgas 18 ausgesetzt ist. Die erste Elektrode 21 ist über eine Leitung 23 mit einer Schaltungsanordnung 50 verbunden, die zweite Elektrode 22 ist über eine Leitung 24 mit der Schaltungsanordnung 50 verbunden.
In dem Festelektrolyten 12 ist des weiteren eine Heizeinrichtung 30 vorgesehen, die über Heizleitungen 31, 32 ebenfalls mit der Schaltungsanordnung 50 verbunden ist. Die Heizeinrichtung 30 heizt den Festelektrolyten 12 auf eine vorgebbare, für die Messung erforderliche Temperatur auf. Hierzu ist in der Schaltungsanordnung 50 eine an sich bekannte Steuerschaltung oder ein an sich bekanntes Steuerprogramm zur Bestimmung und Ausgabe einer Heizspannung UHeiz vorgesehen.
Das Sensorelement wird durch die Schaltungsanordnung 50 auf die nachfolgend beschriebene und anhand der in Fig. 2 beispielhaft erläuterte Weise angesteuert.
Nach Beaufschlagung der Heizeinrichtung 30 mit der Heizspannung UHeiz wird die dem Referenzgas ausgesetzte Elektrode 22 mit einem intermittierenden, konstanten Pumpstrom beaufschlagt. Die Elektrode 22 wird dabei - wie in Fig. 2 dargestellt - in zyklisch ablaufenden Vorgängen impulsartig mit dem konstanten Pumpstrom IP beaufschlagt, wobei in Fig. 2 die an der Elektrode 22 anliegende Spannung URE dargestellt ist, die sich aus dem Produkt des Pumpstroms IP und dem Innenwiderstand des Sensorelements R1 ergibt. Dabei können sowohl positive Spannungspulse als auch negative Spannungspulse von der Schaltungsanordnung 50 erfaßt werden. In Fig. 2 ist lediglich ein Ausschnitt der Messung, die über eine längere Meßzeit erfolgt, dargestellt. In dem Ausschnitt sind sieben positive und zwei negative Pulse dargestellt. Bei einer Luftzahl λ = 1 werden im Mittel gleich viele positive wie negative Pulse erfaßt. Bei einer von λ = 1 abweichenden Luftzahl entsteht dagegen ein Überschuß von positiven oder negativen Pulsen. Durch Zählen der positiven/negativen Pulse kann auf an sich bekannte und aus der DE 103 16 645 Al hervorgehende Weise die Luftzahl λ bestimmt werden.
In den pumpstromfreien Zeiten liegt zwischen der Elektrode 22 und der Elektrode 21 eine vorgebbare Spannung URE-IPE, die Nernstspannung UN an, die beispielsweise 450 mV beträgt. Aus der Differenz der Zellenspannung URE während des Pumpens und der in der pumpstromfreien Zeit anliegenden Spannung kann nun bei bekanntem Pumpstrom IP der Innenwiderstand R1 des Sensorelements 10 bestimmt werden:
Δu = UN + Ip • R1 - UN = Ip • R1.
Das Sensorelement 10 wird - anders ausgedrückt - sowohl als Pumpzelle als auch als Meßzelle betrieben. Hierzu wird während des Pumpvorgangs in den auch als Luftreferenzkanal bezeichneten Hohlraum 17 gepumpt. Die in dem auch als Luftreferenzkanal bezeichneten Hohlraum 17 angeordnete zweite Elektrode 22, die auch als Referenzelekt- rode RE bezeichnet werden kann, wird während des Pumpens also als äußere Pumpelektrode APE betrieben. Während der Messung dagegen wird diese Elektrode 22 als Referenzelektrode RE betrieben, wohingegen die erste Elektrode 21 als innere Pumpelektrode IPE betrieben wird. Die Schaltungsanordnung 50 ermöglicht ein Umschalten zwischen dem Betrieb als Pumpzelle und dem Betrieb als Meßzelle.
Mit dem vorstehend beschriebenen Sensorelement wird eine sehr hohe Genauigkeit der Sauerstoffpumpstromkennlinie erreicht. Die Genauigkeit entspricht derjenigen eines beispielsweise aus der DE 103 16 645 Al hervorgehenden Gassensors, wobei gegenüber diesem Sensorelement bei dem hier erläuterten Sensorelement auf eine Zuleitung und auf eine Kammer verzichtet werden kann.
Sehr vorteilhaft ist auch, daß das Sensorelement sowohl im fetten als auch im mageren Bereich des Abgases eingesetzt werden kann.
Da die Pumpelektrode nicht im Abgasraum liegt, ist sie Wechseln der Luftzahl λ nicht ausgesetzt, so daß sich sehr vorteilhaft eine verringerte λ = 1 Welligkeit ergibt. Hierunter wird ein dynamischer Monotoniebruch bei rampenförmiger Gasanregung um den Stöchi- ometriepunkt aufgrund des Nernstspannungswechsels an der äußeren Pumpelektrode verstanden, der ausbleibt, wenn ich diese im Luftreferenzkanal befindet.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zum Betreiben eines Sensorelements (10) zur Bestimmung der Konzentration einer Gaskomponente in einem Gasgemisch, insbesondere der Konzentration von Sauerstoff im Abgas (16) von Brennkraftmaschinen, mit einer an einem Festelektrolyten (12) angeordneten ersten Elektrode (21), die über eine Diffusionsbarriere (15) dem Gasgemisch ausgesetzt ist, und mit einer am Festelektrolyten (12) angeordneten, einem Referenzgas ausgesetzten Elektrode (22), gekennzeichnet durch eine Schaltungsanordnung (50), die in einer ersten Schaltstellung die dem Referenzgas ausgesetzte Elektrode (22) als Außenpumpelektrode (APE) betreibt und mit einem Pumpstrom (Ip) beaufschlagt und die in einer zweiten pumpstromfreien Schaltstellung die dem Referenzgas ausgesetzte Elektrode (22) als Referenzelektrode (RE) betreibt und die zwischen der ersten Elektrode (21) und der dem Referenzgas ausgesetzten Elektrode (22) anliegende Nernstspannung (UN) ermittelt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beaufschlagung mit dem Pumpstrom (IP) intermittierend erfolgt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Referenzgas ausgesetzte Elektrode (22) mit einem konstanten Pumpstrom (IP) in zyklisch ablaufenden Vorgängen impulsartig beaufschlagt wird.
4. Verfahren zum Betreiben eines Sensorelements (10) zur Bestimmung der Konzentration einer Gaskomponente in einem Gasgemisch, insbesondere der Konzentration von Sauerstoff im Abgas (16) von Brennkraftmaschinen, mit einer ersten an einem Festelektrolyten (12) angeordneten Elektrode (21), die über eine Diffusionsbarriere (15) dem Gasgemisch ausgesetzt ist, und mit einer an dem Festelektrolyten (12) angeordneten, einem Referenzgas ausgesetztem Elektrode (22), dadurch gekennzeichnet, daß die dem Referenzgas ausgesetzte Elektrode (22) in vorgegebenen Zeiträumen als Außenpumpelektrode (APE) und außerhalb dieser Zeiträume als Referenzelektrode (RE) zur Erfassung einer zwischen der ersten Elektrode (21) und der an der dem Referenzgas ausgesetzten Elektrode (22) anliegenden Nernstspannung (UN) betrieben wird.
5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Referenzgas ausgesetzte Elektrode (22) mit intermittierenden Stromimpulsen beaufschlagt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Referenzgas ausgesetzte Elektrode (22) in zyklisch ablaufenden Vorgängen mit einem Konstantstrom (Ip) impulsartig beaufschlagt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenwiderstand (R1) des Sensorelements (10) aus der Differenz der zwischen der dem Referenzgas ausgesetzten Elektrode (22) und der ersten Elektrode (21) jeweils anliegenden Spannungen während der Beaufschlagung mit dem Pumpstrom (IP) und ohne Beaufschlagung mit dem Pumpstrom (IP) ermittelt wird.
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