專利名稱：測定測量氣體中含氧化合物濃度的裝置和方法
現有技術本發(fā)明涉及測定測量氣體中確定的含氧化合物的濃度，該測量氣體還包含其他的含氧化合物。
使用發(fā)動機燃燒產生的廢氣作為測量氣體尤其令人關注。這種確定的待測濃度的含氧化合物是氧化氮。特別地，上述另外的含氧化合物可以考慮氧分子、一氧化碳、二氧化碳以及水。
由SAE論文960334以及EP 678740已經公知帶有兩個腔室的NOx傳感器，其局限于可離子導電的固體電解質。第一腔室經過第一擴散屏障與測量氣體相連。第一和第二腔室通過另一個擴散屏障彼此相連。第一腔室中的氧氣濃度通過第一電解的氧泵槽(Sauerstoffpumpzelle)減少到預定的數值。此外，一個泵電壓通過電極加在電解質上，使得在電解質中產生的電場激發(fā)腔室中氧離子形成的電流。此時通過選擇適當的物理條件如-溫度-電極材料的有針對性的催化作用，以及-泵電壓達到，從而確定的待測濃度的含氧化合物(例如NOx)對第一腔室中的氧泵電流沒有作出貢獻。當例如確定的含氧化合物是氧化氮時，設定所說的物理條件使得氧氣和氮氣的分解不發(fā)生在第一腔室的電極。也抽不掉化合物中的氧，這樣對第一腔室中的氧泵電流沒有影響。
第二電解泵槽在第二腔室中將氧氣濃度進一步減小。在減小氧氣濃度的情況下，引起氧化氮分解為氧氣和氮氣。把在第二腔室中泵電流的強度用作測量在測量氣體中的NOx濃度的量度。這種傳感器的原理以下面所述為基礎，即將氧從第二腔室中抽出，打破了化學反應的平衡，這對方程式的右邊有利。
因為在抽氧的過程中，NO在第二腔室中分解，NOx化合物供給第二腔室中的泵電流。此外，因為O2濃度通過前置的第一泵槽已知，假設其為常數，則原則上，測量氣體中的NOx數量由第二腔室中泵電流的強度確定。
依照現有技術的傳感器具有泵電流-偏移、漂移以及有很強的溫度依賴性。
這些缺陷由以下原因造成通過氧導電固體電解質的傳導的剩余導電性以及通過浪涌電壓以及電場-電流耦合，在缺少氧化氮時，氧化氮-測量信號也會形成偏移量。通過結構變化，在運行期間，固體電解質的電特性發(fā)生變化，以至于不僅信號振幅而且零點都發(fā)生變化。
從上述背景可知，本發(fā)明的任務是在探測確定的含氧化合物的濃度時，使信號偏移、壽命漂移以及與溫度相關的特性最小。
所希望達到的效果通過獨立權利要求的特征來實現。
具體而言，在該方法中采用帶有第一腔室和第二腔室的傳感器測定外部容積中的測量氣體中氧化合物的濃度(該測量氣體也包含氧)，第一腔室通過第一擴散屏障與外部容積相連，并且通過另一個擴散屏障與第二腔室相連。
進一步設置用于減少第一腔室中氧氣濃度的裝置以及測量第二腔室氧濃度的裝置。根據本發(fā)明，在第一階段，將第一腔室中的氧濃度減少到一個數值，此時，含氧化合物的濃度不會發(fā)生變化，隨后在第二階段，在第一腔室中進一步減小到一個數值，此時，第一含氧化合物的濃度開始發(fā)生變化。所述的用于所求濃度的量度由第一、二階段在第二腔室中測得的氧濃度差構成。
不同于求值法，其由現有技術可知，此時，第一腔室中泵電極的電壓調整到相對于大氣參考電極的固定值，根據本發(fā)明，在兩個數值UIPE_H，UIPE_L之間交替反轉變化。
不僅在UIPE_H而且在UIPE_L對第二腔室的泵電流進行抽樣。由在UIPE_H和UIPE_L第二腔室的泵電流的差，形成用來探測確定含氧化合物的濃度的量度。
根據本發(fā)明，在兩個不同的泵電壓下，第二腔室中泵電流的抽樣值的差引起偏移、老化漂移以及溫度特性的減少。差值法在某種程度上引起第二腔室中泵電流的調零。換句話說，根據本發(fā)明的方法，使得稱作第一氧泵電極關于泵電壓擺動運行。根據本發(fā)明的擺動運行，由于不斷調零，使測量的偏移和漂移都極小。
因此本發(fā)明有以下優(yōu)點傳感器的溫度變化對信號大小和零點產生相似的影響，從而通過擺動方法，降低了氧化氮信號溫度系數。
由電流-電場耦合造成的信號誤差得到明顯改善，這個誤差幾乎等同于信號大小和零點。
通過不斷確定零點，徹底消除零點的漂移。
通過測量值的有效性測試大幅度降低了脈動干擾(如來自于高頻連接源)。
以下依照附圖對本發(fā)明的實施例進行解釋。


圖1為雙腔室-NOx-傳感器，它適合于實施根據本發(fā)明的方法。
圖2為根據本發(fā)明的傳感器的工作電路。
圖3公開了信號時序圖，其在根據本發(fā)明方法的實施過程中出現。
圖1中的標記1表示固體電解質，其帶有三個腔室2、3和4，擴散屏障5和6以及電極7-11和加熱器12。
第一腔室2通過擴散屏障5與廢氣相連，并通過第二擴散屏障6與第二腔室3相連，第一或第二腔室可選擇地由多個腔室構成。第三腔室4通過一個通道僅與大氣相連，并且它包括一個大氣參考電極10。
氧泵電極7用作第一腔室的氧泵負極。
電極8用作第二腔室的氧泵負極，如上所述，泵電流在確定的條件下用作探測氧化氮或者其他含氧化合物的濃度的量度。
除了電極8，在第二腔室中還設置了另一個泵電極9，它的材料比如有利于氧化氮的分解。
對于抽氧過程，每個直接對照的正電極用作正的反電極。這也可以是外部泵電極11。
在泵電極9上測量氮泵電流。
泵電極9具有負電勢。所以對于每個電極都可以考慮其它電極作為反電極。根據固體電解質中的場的幾何形狀，可分布多個其它正電極。
絕緣加熱器12提供傳感器所需的工作溫度。
所說的傳感器有以下功能測量氣體通過第一擴散屏障5傳到第一腔室2，該測量氣體除了氧分子還包括少量待測濃度的含氧成分。比如上述含氧成分可以是氧化氮。
電極7、8和9中的每一個總是與每一個正電極以及位于電極之間以離子導電的固體電解質連在一起構成氧泵，尤其可以考慮電極11作為正的反電極。
電極之間的電勢差在電解質中引起產生氧離子泵電流的電場。
通過選擇合適的電極材料，比如，與其它含氧化合物的分離相比，寧愿選擇氧分子的離解。
當比如，探測氧化氮濃度時，最好，氧泵電極7有利于氧的離解，但不利于一氧化氮的分解。
相比之下，NO泵電極9在這種應用情形中具有氧化氮分解作用。
第一腔室的氧泵通過抽出氧離子減少了第一腔室中測量氣體的含氧量，這些氧離子來自于分子態(tài)的氧，而不是至少來自于含氧成分。
在使用根據現有技術的傳感器的情形下，將外部泵電極的電勢調整到相對于大氣參考電極的一個固定值。這個電勢差越高，在第一腔室中形成的氧濃度越小。固定的數值在按照現有技術的傳感器的情況下這樣預先確定，即在第一腔室中剩余的氧成分不接近于零。由此，避免了在第一腔室中氧化氮的分解。
相比之下對于外部的泵電極，本發(fā)明至少采用兩個電位值，使傳感器的運行被控制在這二個電位值之間。
帶有減少的氧含量的測量氣體通過第二擴散屏障傳到第二腔室。在那，繼續(xù)抽出氧氣，以致于在第二腔室中的氧含量降低時，饋送源至少將含氧成分激活成泵電流，形成的泵電流作為待測定含氧化合物的濃度探測量度。
運行根據本發(fā)明的傳感器，需要提供不同電壓的求值電路，它通過測量電流獲得測量信號。
求值電路的方框電路圖在圖2中進行了說明。
在第一腔室中的氧泵電極7，在某種程度上虛擬接地。這通過具有非常小的內阻的電流源2.14形成。電流源2.14補充負電荷，這些負電荷從泵電極7通過氧離子通路經固體電解質流到正電極11。電流表2.15測量出的第一腔室泵電流，隨著外部容積中增大的氧濃度而增大。因此它可用作氧濃度的量度，也可以用來，例如調整燃燒過程的動力燃料/空氣的比例。
反電極11置于相對于地電位為正的電位，其中，它通過連接裝置2.10在大氣參考電極10的電壓附近變化。方框2.11中被提供的負電壓(U_IPE-額定值大氣參考電極的電位)的反轉在所述實施例的框架內使得外部的氧泵電極11與氧泵電極7相比正。
電勢U_IPE_額定值由參考電壓2.1與運算放大器2.2相關聯地生成，并經由調節(jié)器2.13調節(jié)。
在腔室2中設置的電極8和9的電壓，由參考電壓2.4和2.6以及運算放大器2.5和2.7生成。在此，用于氧泵電極8的參考電壓表示為U_O2_SOLL＜0，用于NO泵電極10的參考電壓表示為U_NO_SOLL＜0。
電極8和9的電壓通過連接裝置2.8和2.9圍繞大氣參考電壓調整。
其它電極電勢可直接得到。NO-泵電流經過已知的電流電壓轉換測得，這個功能通過電流表2.12體現。
根據本發(fā)明，U_IPE-額定值并非恒定不變，而是在兩個電壓值UIPE_H和UIPE_L之間往復反轉變化。該反轉變化通過控制芯片2.16控制，該控制芯片2.16至少具有處理器和程序存儲器以及數據存儲器。在圖3a中說明對一個電壓反轉變化的實施例的U_IPE-額定值可能的時序。圖3b示出第二腔室泵電流的相關時序，該泵電流由電流表測量2.12并通知控制芯片2.16。與實施例相應的，圖3b中的信號是NOx-信號。當該名稱以后繼續(xù)使用時，它在某種程度上代表任意一種其它含氧化合物，這種含氧化合物允許通過所述的多腔室原理，其它含氧化合物在測量技術方面有所不同。
在圖3a中的低電壓UIPE_L與如下電壓相應，即從現有技術可知，用于調整第一氧泵電極的狀態(tài)的電壓。
這個電壓以的特征在于盡管一方面第一腔室中氧濃度減小，但另一方面剩余氧濃度維持不變。在這種情況下不發(fā)生NOx的分解。
氧化氮進一步擴散到第二腔室，在那里分解，并且由此引起圖3b中電平1的NOx信號。
在高電壓情況下，第一腔室的氧泵電極用泵抽掉來自O2的氧，還有來自H2O、CO和NO以及NO2的氧。
將UIPE_H的值選擇在例如500-1000mv，尤其是600-850mv的范圍內，以使第一腔室的泵電極除了廢氣中的氧之外，還有氧化氮中的氧被抽掉。
而后，第一腔室中的氧化氮部分接近于零，以致于氧化氮不能從第一腔室補充到第二腔室中。
在第二腔室中抽調用于測量的氧化氮中的氧，在第二腔室中氧化氮濃度由于缺少補給同樣降至零。結果是，在第二腔室中的氧化氮濃度趨向零擺動之后，得到信號的零。就是圖3b中由2表示的電平。
最后，作用在第一腔室的泵電壓降到低電壓值UIPE_L。
在低電壓情況下，經過信號擺動變化測出的帶有零值的信號值(電平1)被測得。
帶有零值的信號值減去控制芯片2.16事先設定的零值，得出用于輸出的純粹的信號值，其信號調節(jié)量適于內燃發(fā)動機的運行。根據本發(fā)明采用形成的NOx-信號，由方框2.17表示。
另一個實施例公開了這樣一種可能性，NOx-信號中來自于高頻連接源的脈沖干擾，大幅減少。
這個實施例在一定程度上描述用于掃描的信號值的有效性測試。從圖3中得以解釋。僅當沒有大的速度改變時，信號值有效。尤其漸漸消除了NOx-信號脈沖地對泵電壓的電平交變的反應。
從UIPE_H到UIPE_L(對照圖3a)第一變更時刻為t＝0。時間tH后，發(fā)生從UIPE_L到UIPE_H突變，并且tL時間后重新返回，當時間tHL＞tH后，對求值電路的氧化氮信號進行第一次抽樣。測量值抽樣在圖3c中由脈沖體現，隨后是tH2，tH3......tHn。在多個抽樣情況下，兩個前后相鄰的tH1和tH1+1的抽樣差值作為抑制振蕩的評估量度。如果UH和UL的差(如在圖3d中所示)足夠小，抽樣值才作為有效抽樣。圖3d中上面的線是掃描-停留-信號進程，對應于低泵電壓階段。它相應于帶有零值的NOx-信號。下面的線與掃描-停留-信號進程相適應，對應于高泵電壓的階段，該高電壓提供NOx-信號的零值。
通過有效性測試明顯降低了引起跳躍變化的信號干擾。
最終的零值通過對有效值求平均得出。
同樣適用于tH＜t＜tL時間段方法，代替時間tLM＞tLM-1......＞tL2＞tL1＞tL的零值，得到在零值附近變化的信號大小。
最終的帶有零值的信號值通過對有效信號大小求平均得出。
將帶有零值的信號值減去預先設定的零值，得到要輸出的純粹的信號值。
除了來自有效的信號大小(零值)構成平均值，也可以考慮其他數學函數，所述數學函數可以產生最終的信號量值，例如加權(評估)的和。
權利要求
1.在外部容積中測定含氧化合物在測量氣體中的濃度的方法，該容積中還包含有氧，該方法利用帶有第一腔室(2)和第二腔室(3)的傳感器，第一腔室通過第一擴散屏障(5)與外部容積相連，第二腔室通過另一個擴散屏障(6)與第一腔室相連，該方法利用裝置(7，11，2.1，2.2，2.10，2.11，2.13)減小第一腔室中的氧濃度，并且利用裝置(2.12，2.16)測量第二腔室中的氧濃度，其特征在于，將第一腔室中的氧濃度在第一階段減少到一個數值，此時，含氧化合物的濃度不發(fā)生變化，在第二階段，在第一腔室中含氧化物進一步減小到一個數值，此時，第一含氧化合物的濃度開始發(fā)生變化，用第一、二階段在第二腔室中所測氧濃度的差構成所求濃度的量度。
2.根據權利要求1的方法，其特征在于，在第一腔室中用來減少氧濃度的裝置包括固體電解質，其沒置在2個電極之間，在所述電極上加有電壓。
3.根據權利要求2的方法，其特征在于，在第二階段加在所述電極上的電壓比第一階段的高。
4.根據上述的權利要求之一的方法，其特征在于，在第二腔室中測定氧濃度的裝置包括產生可氧化氣體的氣體產生電極。
5.根據權利要求1-3中之一的方法，其特征在于，測定在第二腔室氧濃度的裝置包括兩個電極(8、9)，其中的一個電極(8)有利于氧的分解，以及另一個電極(9)有利于氧化氮的分解。
6.根據上述的權利要求之一的方法，其特征在于，采用燃燒過程中產生的廢氣作為測量氣體。
7.根據上述的權利要求之一的方法，其特征在于，將氧化氮作為確定的待測濃度的含氧化合物。
8.在外部容積中測定含氧化合物在測量氣體中的濃度的設備，該容積還包含有氧，該設備包括帶有第一腔室(2)和第二腔室(3)的傳感器，第一腔室通過第一擴散屏障(5)與外部容積相連，第二腔室通過另一個擴散屏障(6)與第一腔室相連，該設備包括用來減小第一腔室中氧濃度的裝置(7，11，2.1，2.2，2.10，2.11，2.13)和用來測定第二腔室中的氧濃度的裝置(2.12，2.16)，其特征在于，在第一階段，用于減小第一腔室中氧濃度的裝置將氧濃度減少到一個數值，此時，含氧化合物的濃度不會發(fā)生變化，在第二階段，在第一腔室中含氧化合物的濃度進一步減小到一個數值，此時，第一含氧化合物的濃度開始減少，裝置(2.16)將第一、二階段在第二腔室中所測氧濃度差構成為所求濃度的量度。
全文摘要
本發(fā)明描述了探測外部容積中測量氣體中的含氧化合物濃度的方法和設備，該容積還含有氧。本發(fā)明的方法利用帶有第一腔室和第二腔室的傳感器，第一腔室通過第一擴散屏障與外部容積相連，第二腔室通過第二擴散屏障與第一腔室相連。該設備進一步包括用來減小第一腔室中的氧濃度裝置和用來探測第二腔室中的氧濃度的裝置。第一腔室中的氧濃度在第一階段減少到一個數值，此時，含氧化合物的濃度不會發(fā)生變化。在第二階段，在第一腔室中進一步減小到一個數值，此時，第一含氧化合物的濃度開始減少。由第一、二階段第二腔室中被測氧濃度的差形成用于探測相應濃度的量度。
文檔編號G01N27/406GK1500211SQ02807739
公開日2004年5月26日 申請日期2002年2月27日 優(yōu)先權日2001年3月31日
發(fā)明者B·克拉默, B·舒曼, B 克拉默 申請人:羅伯特-博希股份公司