DE19944181A1 - Sensor zur Bestimmung der Konzentration von Gaskomponenten in Gasgemischen - Google Patents
Sensor zur Bestimmung der Konzentration von Gaskomponenten in GasgemischenInfo
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Abstract
Ein Sensor zur Bestimmung der Konzentration von Gaskomponenten in Gasgemischen mit wenigstens einer dem Gasgemisch ausgesetzten Messelektrode und einer Referenzelektrode und mit einer Heizeinrichtung zur Temperierung der wenigstens einen Messelektrode und der Referenzelektrode ist dadurch gekennzeichnet, dass ein an der wenigstens einen Messelektrode abgreifbares Messsignal durch einen Korrekturwert veränderbar ist, der von der zum Erreichen eines vorgebbaren Wertes des Heizwiderstands wenigstens eines Heizelements der Heizeinrichtung erforderlichen Heizleistung der Heizeinrichtung abhängt.
Description
Die Erfindung betrifft einen Sensor zur Bestimmung der
Konzentration von Gaskomponenten in Gasgemischen nach
der Gattung des Hauptanspruchs. Ein solcher Sensor ist
besonders geeignet zur Überwachung der Funktionsfähig
keit von Katalysatoren in Abgasentgiftungsanlagen von
Brennkraftmaschinen.
Brennkraftmaschinen erzeugen in ihrem Abgas unter ande
rem Kohlenmonoxid, Stickoxide sowie unverbrannte oder
teilweise verbrannte Kohlenwasserstoffe. Mit herkömmli
chen Lambda-Sonden durchgeführte Messungen des Sauer
stoffgehalts in Abgasen allein liefern nicht immer aus
reichende Informationen über die Qualität der Verbren
nung des Kraftstoffgemischs. Für verschiedene Anwen
dungsfälle ist es besonders wichtig, den Anteil der bei
unvollständigen Verbrennungen auftretenden oxidierbaren
Gaskomponenten kontrollieren zu können. Neben der Her
absetzung der Grenzwerte der Abgasemission gewinnt die
Überwachung des Katalysators in Abgasanlagen hinsicht
lich seiner Funktion beispielsweise bei der On-Board-
Diagnose verstärkt an Bedeutung.
Dabei kommen zunehmend Sensoren, die auf dem Mischpo
tentialprinzip basieren, zum Einsatz. Derartige Senso
ren gehen beispielsweise aus der DE 44 08 504 A1 sowie
aus der DE 196 23 434 A1 hervor. Das Messprinzip derar
tiger Sensoren erfordert eine sehr genaue Kontrolle der
Temperatur der Messelektroden. Hierfür wird eine Hei
zungsregelung verwendet, die den Widerstand der in dem
Festelektrolyt des Sensors integrierten Heizungsein
richtung, beispielsweise den Widerstand einer Platin-
Heizeinrichtung, direkt als Temperatursignal verwendet.
Aufgabe der Erfindung ist eine Verbesserung der Tempe
raturkontrolle für die Messelektroden eines gattungsge
mäßen auf dem Mischpotentialprinzip basierenden Gassen
sors. Insbesondere soll der systematische Fehler, der
bei derartigen Sensoren dadurch entsteht, dass die Tem
peraturmessung nicht am Ort der Messelektroden selbst,
sondern davon räumlich getrennt am Heizwiderstand er
folgt, korrigierbar sein.
Diese Aufgabe wird bei einem Sensor der oben beschrie
benen Art erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merk
malen des Hauptanspruchs gelöst. Durch Veränderung des
Messsignals durch einen Korrekturwert, der von der zum
Erreichen eines vorgebbaren Wertes des Heizwiderstands
erforderlichen Heizleistung der Heizeinrichtung
abhängt, wird eine signifikante Verbesserung der Kor
relation zwischen dem Messsignal des Sensors und der
Konzentration der zu messenden Abgaskomponente bei un
terschiedlichen Messparametern bzw. Betriebspunkten ei
ner Brennkraftmaschine, deren Gasgemisch detektiert
wird, erreicht.
Mit den in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen
des erfindungsgemäßen Sensors möglich. Eine vorteilhaf
te Ausführungsform sieht vor, dass der Korrekturwert
zur Veränderung des Messsignals in Abhängigkeit von der
Änderung der Heizleistung durch Messung im Betriebszu
stand bestimmbar und in einem Kennfeld speicherbar ist.
Hierdurch kann der von der Temperaturabhängigkeit des
Sensorsignals abhängige funktionelle Zusammenhang des
Korrekturwerts exakt bestimmt und zur Korrektur des
Messsignals verwendet werden.
Bei einer anderen vorteilhaften Ausführungsform ist
vorgesehen, dass der Korrekturwert der Änderung der
Heizleistung direkt proportional ist. In diesem Falle
muss lediglich ein Korrekturfaktor durch Messung be
stimmt werden.
Die Aufgabe wird bei einem Sensor der eingangs be
schriebenen Art ferner erfindungsgemäß dadurch gelöst,
dass ein vorgebbarer Sollwert des Heizwiderstands we
nigstens eines Heizelements der Heizeinrichtung so an
hebbar ist, dass ein zuvor bestimmter Temperaturabfall
zu der wenigstens einen Messelektrode kompensierbar
ist.
In diesem Falle wird anstatt den Temperatureinfluss auf
das Signal zu korrigieren, die Temperatur an der Elek
trode konstant gehalten. Auch hierdurch kann der syste
matische Fehler, der bei solchen Sensoren dadurch ent
steht, dass die Temperaturmessung nicht am Ort der
Messelektroden selbst, sondern davon räumlich getrennt
am Heizwiderstand erfolgt, korrigiert werden. Dabei ist
vorteilhafterweise der Sollwert durch Messungen in un
terschiedlichen Betriebszuständen des Sensors bestimm
bar und in einem Kennfeld speicherbar.
Er wird in Abhängigkeit von dem durch Messung zu erfas
senden Temperaturabfall zu den Messelektroden hin be
stimmt.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung sind Gegen
stand der nachfolgenden Beschreibung und der zeichneri
schen Darstellung eines Ausführungsbeispiels.
In Fig. 1 ist schematisch ein Schnitt durch einen er
findungsgemäßen Sensor dargestellt.
Ein in der Figur im Schnitt schematisch dargestellter
Sensor umfasst ein isolierendes planares keramisches
Substrat 6, das auf der einen Großfläche in übereinan
derliegenden Schichten eine Referenzelektrode 3 aus
beispielsweise Platin, einen Festelektrolyten 4, Mess
elektroden 1 und 2 sowie eine gasdurchlässige Schutz
schicht 5 trägt. Auf der gegenüberliegenden Großfläche
des Substrats 6 ist eine Heizeinrichtung 7 mit einer
Abdeckung 8 angeordnet.
Zur Bestimmung der Konzentration oxidierbarer Bestand
teile in Gasgemischen, beispielsweise Abgasen von
Brennkraftmaschinen, wird der Sensor mittels der Hei
zeinrichtung 7 auf eine Temperatur zwischen 300 und
1000°C, vorteilhafterweise auf 600°C erhitzt.
Um die Diffusion des Messgases zur Referenzelektrode 3
und die Einstellung des Sauerstoff-Gleichgewichts
potentials zu ermöglichen, kann die Schutzschicht 5 po
rös gesintert sein. Darüber hinaus kann aber auch auf
an sich bekannte Weise ein Referenzkanal oder eine Re
ferenzgasatmosphäre vorgesehen sein (nicht darge
stellt).
Der Sensor erzeugt über dem sauerstoffionenleitenden
Festelektrolyten 4 ein Messsignal in Form einer Zell
spannung durch eine erste mit Hilfe der Referenzelek
trode 3 eingestellten Halbzellenreaktion und eine zwei
te durch die zu bestimmenden oxidierbaren Gaskomponen
ten beeinflusste Halbzellenreaktion an mindestens einer
der Messelektroden 1, 2. Über Kalibrierungskurven wer
den aus den Spannungswerten in einer Schaltungsanord
nung 10 die Konzentrationen der Gaskomponenten ermit
telt. Im einfachsten Falle ist der erfindungsgemäße
Sensor somit mit einer Referenzelektrode 3, die die
Gleichgewichtseinstellung des Gasgemisches katalysiert
und einer Messelektrode 1 oder 2, die die Gleichge
wichtseinstellung des Gasgemisches nicht oder nur wenig
zu katalysieren vermag, einsatzfähig.
Es ist jedoch auch möglich, wie in Fig. 1 dargestellt,
zwei Messelektroden 1 und 2 anzuordnen, oder auch meh
rere Messelektroden mit jeweils unterschiedlicher kata
lytischer Aktivität zur Einstellung von Sauerstoff-
Gleichgewichtszuständen. Die Messelektroden 1, 2 rea
gieren dann mit unterschiedlicher, von der Gasart ab
hängiger Spannung, bezogen auf die Referenzelektrode 3.
Bei Anordnungen mit zwei oder mehr Messelektroden 1, 2
mit unterschiedlicher katalytischer Aktivität besteht
auch die Möglichkeit, Spannungen zwischen den Messelek
troden 1, 2 zur Bestimmung oxidierbarer Gase auszuwer
ten. Bei Spannungsmessungen zwischen Messelektroden,
die in der gleichen Ebene und im gleichen Abstand zur
Heizeinrichtung 7 angeordnet sind, wie beispielsweise
die in Fig. 1 dargestellten Messelektroden 1 und 2,
wird zudem der Seebeck-Effekt ausgeschaltet. Durch An
ordnung mit mindestens zwei Messelektroden 1, 2 besteht
des weiteren die Möglichkeit, wie in Fig. 1 darge
stellt, die Querempfindlichkeit einer ersten Messelek
trode 1 vollständig oder zumindest teilweise durch das
Signal einer weiteren Messelektrode 2 zu kompensieren,
indem die Empfindlichkeit dieser weiteren Messelektrode
2 auf die störenden Gaskomponenten entsprechend einge
stellt wird.
Zur Messung spezifischer Abgaskomponenten, z. B. HC, ist
eine sehr genaue Kontrolle der Temperatur der Messelek
troden 1, 2 erforderlich. Hierfür ist eine Regelung der
Heizungseinrichtung 7 vorgesehen, die den Widerstand
des in den Sensor integrierten Heizelements, beispiels
weise eines Platin-Heizelements direkt als Temperatur
signal verwendet.
Im stationären Betrieb fließt ein Wärmestrom Φ zwi
schen dem Heizelement der Heizeinrichtung 7 und der
durch den Abgasstrom gekühlten Sensoroberfläche. Abhän
gig vom Wärmewiderstand R, der zwischen dem Heizelement
der Heizeinrichtung 7 und den auf der Sensoroberfläche
angeordneten Messelektroden 1, 2 besteht, liegt eine
Temperaturdifferenz ΔT vor, die sich wie folgt be
stimmt:
ΔT = R . Φ.
Ändert sich die Temperatur oder der Volumenstrom des
Abgases, muss eine Heizleistung PHeiz der veränderten
Kühlleistung des Abgases angepasst werden, um die Tem
peratur der Heizeinrichtung 7 konstant zu halten. Hier
durch ändert sich der Wärmestrom durch den Sensor und
damit auch die Temperaturdifferenz ΔT. Die Temperatur
der Messelektroden 1, 2 ist daher auch bei konstant ge
haltener Temperatur der Heizeinrichtung 7 von der Kühl
leistung des Abgases abhängig. Da das Signal von Misch
potentialsensoren eine starke Temperaturabhängigkeit
aufweist, ist eine Korrektur des Sensorsignals, d. h.
des zwischen den Messelektroden 1 und 2 oder des zwi
schen den Messelektroden 1 bzw. 2 und der Referenzelek
trode 3 abgreifbaren Spannungssignals UMess erforder
lich.
Grundidee der Erfindung ist es nun, die zum Erreichen
des Sollwertes des Heizwiderstandes des Heizelements
erforderliche Heizleistung PHeiz dazu zu verwenden, das
Sensorsignal zu korrigieren. Die Änderung der Heizlei
stung ΔPHeiz, die erforderlich ist, um eine veränderte
Kühlleistung auszugleichen, ist direkt proportional zur
Änderung der Temperatur der Messelektroden 1, 2. Eine
Stellgröße der Heizungsregelung kann daher direkt als
Eingangssignal für die Korrektur des Messsignals UMess
verwendet werden, wie in der folgenden Gleichung darge
stellt:
UKorr = UMess(1 - f(PHeiz))
Der funktionelle Zusammenhang f(PHeiz) hängt von der
Temperaturabhängigkeit des Messsignals UMess ab und muss
experimentell, durch Messungen an dem im Betrieb be
findlichen Sensor, d. h. bei Einsatz in der Abgasanlage
eines Fahrzeugs während des Betriebs der Brennkraftma
schine bestimmt werden. Er kann beispielsweise in einem
Kennfeld abgespeichert sein.
In einem Ausführungsbeispiel wird von einer linearen
Näherung ausgegangen, wobei das Korrektursignal UKorr
dem Messsignal UMess abzüglich einem Korrekturwert, der
der Änderung der Heizleistung ΔPHeiz direkt proportional
ist, entspricht:
UKorr = UMess(1 - K . ΔPHeiz).
Der Korrekturfaktor K muss experimentell, durch Messun
gen des im Betrieb befindlichen Sensors und damit der
im Betrieb befindlichen Brennkraftmaschine erfolgen, er
kann Gegenstand einer Kennlinie sein.
Die Korrektur des Messsignals erfolgt in der Schal
tungsanordnung 10. Durch die Verwendung des Stellgrö
ßensignals der Regelung der Heizungseinrichtung 7 für
die Korrektur der Abhängigkeit des Sensorsignals von
der Temperatur und dem Volumenstrom des Abgases wird
eine signifikante Verbesserung der Korrelation zwischen
dem Messsignal des Sensors und der Konzentration der zu
messenden Abgaskomponente bei unterschiedlichen Be
triebspunkten des Sensors bzw. unterschiedlichen Be
triebspunkten der Brennkraftmaschine, in deren Abgaska
nal sich der Sensor befindet, erreicht.
Bei einer anderen Ausführungsform ist vorgesehen, an
statt den Temperatureinfluss auf das Signal zu korri
gieren, die Temperatur an den Elektroden 1, 2 konstant
zu halten. Hierzu wird bei Betriebspunkten des Sensors
mit erhöhtem Heizleistungsbedarf der Sollwert des
Heizwiderstands des Heizelements der Heizeinrichtung 7,
der von der Schaltungsanordnung 10 zur Heizleistungsre
gelung verwendet wird, so angehoben, dass ein damit
verbundener größerer Temperaturabfall zu den Messelek
troden 1, 2 hin kompensiert wird. Es versteht sich,
dass der Temperaturabfall zuvor experimentell bestimmt
werden muss.
Der Sollwert wird vorteilhafterweise in Abhängigkeit
von den Betriebszuständen in einem Kennfeld gespei
chert.
Claims (6)
1. Sensor zur Bestimmung der Konzentration von Gas
komponenten in Gasgemischen mit wenigstens einer
dem Gasgemisch ausgesetzten Messelektrode (1, 2)
und einer Referenzelektrode (3) und mit einer Hei
zeinrichtung (7) zur Temperierung der wenigstens
einen Messelektrode (1, 2) und der Referenzelek
trode (3), dadurch gekennzeichnet, dass ein an der
wenigstens einen Messelektrode (1, 2) abgreifbares
Messsignal durch einen Korrekturwert veränderbar
ist, der von der zum Erreichen eines vorgebbaren
Wertes des Heizwiderstands wenigstens eines Heize
lements der Heizeinrichtung (7) erforderlichen
Heizleistung der Heizeinrichtung (7) abhängt.
2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass der Korrekturwert in Abhängigkeit von der Än
derung der Heizleistung durch Messung im Betriebs
zustand des Sensors bestimmbar und in einem Kenn
feld speicherbar ist.
3. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass der Korrekturwert der Änderung der Heizlei
stung direkt proportional ist.
4. Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
dass der Korrekturwert (K) durch Messung im Be
triebszustand des Sensors bestimmbar und in einer
Kennlinie speicherbar ist.
5. Sensor zur Bestimmung der Konzentration von Gas
komponenten in Gasgemischen mit wenigstens einer
dem Gasgemisch ausgesetzten Messelektrode (1, 2)
und einer Referenzelektrode (3) und mit einer Hei
zeinrichtung (7) zur Temperierung der wenigstens
einen Messelektrode (1, 2) und der Referenzelek
trode (3), dadurch gekennzeichnet, dass ein vor
gebbarer Sollwert des Heizwiderstands wenigstens
eines Heizelements der Heizeinrichtung (7) so ver
größerbar ist, dass bei einem Betriebspunkt des
Sensors mit erhöhtem Heizleistungsbedarf ein damit
verbundener Temperaturabfall zur wenigstens einen
Messelektrode (1, 2) hin kompensierbar ist.
6. Sensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
dass der Sollwert durch Messung im Betriebszustand
des Sensors bestimmbar und in einem Kennfeld spei
cherbar ist.
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