DE4231128C2

DE4231128C2 - Grenzstrom-Sauerstoffkonzentrationsmeßvorrichtung

Info

Publication number: DE4231128C2
Application number: DE4231128A
Authority: DE
Inventors: Akioki Nakamori; Masaru Kozakura
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 1991-09-27
Filing date: 1992-09-17
Publication date: 2002-11-28
Anticipated expiration: 2012-09-18
Also published as: DE4231128A1; US5270009A; JP2541051B2; JPH0587772A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, die zum Messen der Sauerstoffkonzentration in einem Probengas, etwa einem Abgas, das einen großen Anteil eines Störgases beinhaltet, geeignet ist.

Bekannte Grenzstrom-Sauerstoffkonzentrationsmeßvorrich tungen sind mit einem Grenzstrom-Sauerstoffsensor verse hen, der Elektroden aufweist, die auf beiden Seiten ei nes stabilisierten Zirkoniumelements ausgebildet sind. Wenn eine Spannung über die Kathode und die Anode des Sauerstoffsensors während des Inkontaktbringens des Probengases mit der Kathode aufgebracht wird, fließt ein Strom durch Träger von Sauerstoffionen, die in dem Pro bengas enthalten sind, durch die Pumpwirkung des stabi lisierten Zirkoniumelements. Der in dem Probengas bein haltete Sauerstoff fließt durch das stabilisierte Zirko niumelement zu der Anode. Zu diesem Zeitpunkt wird der Strom bezüglich der Sauerstoffkonzentration in dem Pro bengas in einem bestimmten Spannungsbereich über den Elektroden konstant. Ein solcher konstanter Strom wird Grenzstrom genannt. Da die Sauerstoffkonzentration einen linearen Bezug zu dem Grenzstrom hat, ist es möglich, die Sauerstoffkonzentration durch Messen des Wertes des Grenzstroms zu bestimmen.

Ein Grenzstrom-Sauerstoffsensor, der nach diesem Prinzip arbeitet, wird allgemein zum Messen einer Sauerstoffkon zentration in einem sauberen Gas oder aber einem Gas, das in seiner Zusammensetzung etwa der Umgebungsluft entspricht, eingerichtet. Wenn das Probengas ein Abgas von einem Kraftfahrzeug oder einer Fabrik ist und CO₂ in einer hohen Konzentration enthält, wirkt das CO₂ als Störgas für den Sauerstoff in dem Sauerstoffsensor und verhindert eine genaue Messung der Sauerstoffkonzentra tion. Im allgemeinen wird der Sauerstoffsensor daher nicht zum Messen eines Gases verwendet, das wie Abgase CO₂ in einer hohen Konzentration beinhaltet.

Wenn CO₂, das in einem Probengas beinhaltet ist, eine hohe CO₂-Konzentration hat, durch ein Absorptionsmittel absorbiert wird, um die Sauerstoffkonzentration mittels eines Sauerstoffsensors zu messen, wird die Zusammenset zung des Probengases derart verändert, daß die Sauer stoffkonzentration in einem Probenpunkt nicht richtig bestimmt wird.

In dem zuvor erwähnten Sauerstoffsensor ist es weiter erforderlich, den Einstrom von Sauerstoffmolekülen durch geeignete Mittel zu begrenzen. Wenn der Einstrom bei spielsweise durch ein kleines Loch begrenzt wird, gibt es keine Probleme bei dem Messen eines Gases, das im wesentlichen unverändert in einer verwirbelten Gaszusam mensetzung ist. Dagegen werden die physikalischen Eigen schaften eines Probengases dann, wenn ein Gas einen gro ßen Anteil an Fremdgasmolekülen aufweist, etwa CO₂, das in Abgasen im Bereich von Prozenten beinhaltet ist, so verändert, daß ein angegebener Wert der Sauerstoffkon zentration nicht richtig gewonnen werden.

Die US 4,766,871 offenbart ein elektronisches Einspritz system zur rechnergestützten Steuerung eines Einsprit zers basierend auf dem Luftdruck, der Drehgeschwindig keit der Maschine und einer Information über den Rest sauerstoffgehalt des Abgases.

Die US 4,938,194 offenbart einen Grenzstrom-Sauerstoff sensor.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zu schaffen, die die Sauerstoffkonzentration in einem Probengas mit einem Grenzstrom-Sauerstoffsensor auch dann messen kann, wenn das Probengas ein Störgas, etwa hochkonzentriertes CO₂-Gas, beinhaltet.

Die Vorrichtung nach der Erfindung weist die Merkmale des Anspruchs 1 auf, die Unteransprüche geben vorteil hafte Ausgestaltungen der Erfindung an.

Eines der Gebiete, bei dem das erfinderische Verfahren und die Vorrichtung angewendet werden, ist die Messung der Sauerstoffkonzentration der Abgase eines Kraftfahrzeugs oder einer Fabrik. Derartige Abgase beinhalten CO₂-Gas als Störgas. Fig. 2 zeigt die Störung von CO₂ gegen die Sauerstoffkonzentration, die durch einen Grenzstrom-Sauerstoffsensor gemessen wird, in Form der Abweichungsraten (%) bezüglich angegebenen Werten der Sauerstoffkonzentration zur CO₂-Gaskonzentration (Volu menprozent). Die Störung durch das CO₂ führt zu angege benen Werten der Sauerstoffkonzentration, die niedriger sind als die tatsächlichen Werte. Da es bekannt ist, daß ein Abgas ungefähr 5 bis 15% CO₂-Gas beinhaltet, wird die CO₂-Gaskonzentration auf 10% gesetzt, um ein sol ches Abgas zu messen. Die erkannten Werte der Sauer stoffkonzentration werden um 1,25% nach oben verscho ben, um ausgegeben zu werden. Es versteht sich, daß die Störung durch das CO₂ in dem Sauerstoffsensor durch dies einfache Korrekturverfahren innerhalb ±1% unterdrückt werden kann, wenn die CO₂-Gaskonzentration in einem Be reich von 5 bis 15% ist.

Wenn das Probengas CO₂-Gas in einer Konzentration von 20% beinhaltet, ist es möglich, die angegebenen Werte der Sauerstoffkonzentration durch Rücksetzen der CO₂- Konzentration auf 20% durch die Eingangseinheit zu kor rigieren.

Um die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Messen der Sau erstoffkonzentration bei einer Abgasmeßvorrichtung anzu wenden, kann die CO₂-Gaskonzentration zuvor auf 10% eingestellt werden, so daß diese CO₂-Gaskonzentration nur dann durch die Eingangseinheit zurückgesetzt wird, wenn ein Gas, dessen CO₂-Gasgehalt erheblich von 10% abweicht, gemessen wird.

Diese und weitere Aufgaben, Merkmale, Aspekte und Vor teile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden, eingehenden Beschreibung der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnun gen. Dabei zeigt:

Fig. 1 ein Blockdiagramm, das eine Grenz strom-Sauerstoffkonzentrationsmeßvor richtung nach der vorliegenden Erfindung wiedergibt;

Fig. 2 einen Graph, der die CO₂-Störung in bezug auf einen Sauerstoffsensor wieder gibt in der Form der Abweichungsrate (%) der der Sauerstoffkonzentration entspre chenden Werte bezüglich der CO₂- Gaskonzentration vor und nach der Kor rektur;

Fig. 3 ein Flußdiagramm, das den Ablauf der Messung der Sauerstoffkonzentration in einem Gas, das CO₂-Gas enthält, in der vorliegenden Erfindung wiedergibt; und

Fig. 4 eine Endansicht, die schematisch das Prinzip des Grenzstrom-Sauerstoff sensors wiedergibt, das bei einem Aus führungsbeispiel der vorliegenden Erfin dung verwendet wird.

Fig. 1 ist ein Blockdiagramm, das den Aufbau eines Grenzstrom-Sauerstoffkonzentrationsmeßapparates nach der vorliegenden Erfindung wiedergibt. Fig. 1 zeigt, daß die Vorrichtung einen Probengaseinlaß 1 und einen Kalibra tionsgaseinlaß 2 hat, die mit einem Einstromgas-Schaltventil 3 versehen sind, die das Probengas und das Kali brationsgas dosieren und diese zu einem Sauerstoff- Konzentrationsdetektor 4 führen, der durch einen Grenz strom-Sauerstoffsensor gebildet wird. Der Probengasein laß 1, der Kalibrationsgaseinlaß 2 und das Schaltventil 3 definieren einen Gaseinlaß. Eine Speichereinheit 7 ist dazu eingerichtet, die Relation zwischen der Störgaskon zentration und dem Ausmaß der Störung bezüglich eines Störgases zu speichern, das einen die Sauerstoffkonzen tration angebenden Wert des Probengases beeinflußt. Eine arithmetische Recheneinheit 5 weist eine CPU auf, die zur Steuerung des Betriebs des Schaltventils 3 als auch zur Ausgabe eines Sauerstoffkonzentrationswerts des Pro bengases zu einer Ausgabeeinheit 6 aufgrund eines Kon zentrationssignals von dem Detektor 4 eingerichtet ist. Wenn das Probengas ein Störgas enthält, gibt die arith metische Recheneinheit 5 einen korrigierten Sauerstoff konzentrationswert an die Ausgabeeinheit 6 aus unter Verwendung eines im folgenden zu beschreibenden Korrek tursystems und der Relation der Störung, die in der Speichereinheit 7 gespeichert ist. Die Ausgabeeinheit 6 wird durch eine Displayeinheit wie einem Monitor, einem Drucker oder einem Aufzeichnungsgerät gebildet.

Eine Eingabeeinheit 8, etwa eine Tastatur, ist dazu ein gerichtet, die CO₂-Konzentration des Probengases für die arithmetische Recheneinheit 5 einzugeben und diese zu ändern.

Fig. 4 zeigt den Grenzstrom-Sauerstoffsensor, der für den Sauerstoffkonzentrationsdetektor 4 verwendet wird. Fig. 4 verdeutlicht, daß der Grenzstrom-Sauerstoffsensor ein elektrolytisches Feststoff-Element 10 aus Zirkonium (ZrO₂) aufweist, das mit einer Feststofflösung aus Y₂O₃ oder CaO stabilisiert ist, Platinpastenelektroden 11 und 12, die auf beiden Seiten des elektrolytischen Feststof felements 10 ausgebildet sind, und einer Kappe 13 mit einem kleinen Loch 13a, das mit einer Seite des elektro lytischen Feststoffelements 10 verbunden ist, das mit der Elektrode 12 versehen ist. Wenn eine Spannung von einer Spannungsquelle 14 derart aufgebracht wird, daß die Elektrode 12 als Kathode und die andere Elektrode 11 als Anode dient, strömt ein Strom durch die Träger von Sauerstoffionen durch eine Pumpwirkung des elektrolyti schen Feststoffelements 10, um Sauerstoff, der in der Kappe 13 enthalten ist, von der Elektrode 12 zu der an deren Elektrode 11 zu führen. Die von der Spannungsquel le 14 aufgebrachte Spannung wird so eingestellt, daß der Strom, der in dem elektrolytischen Feststoffelement 10 fließt, einen Grenzstromwert erreicht, der eine lineare Beziehung zu der Sauerstoffkonzentration in der Kappe 13 hat.

Anhand von Fig. 3 wird jetzt das Verfahren zum Detektie ren und zum Korrigieren der Sauerstoffkonzentration in einem Probengas mit der Sauerstoffkonzentrationsmeßvor richtung, die in Fig. 1 gezeigt ist, erläutert.

1. Die Einlässe 1 und 2 sind für das Probengas bzw. das Kalibrationsgas, so daß konstante Volumen von Probengas und Kalibrationsgas in die Schaltventile 3 von dem Pro bengaseinlaß 1 bzw. dem Kalibrationsgaseinlaß 2 zuge führt werden. Ein Startschalter wird betätigt.
2. Die arithmetische Recheneinheit 5 steuert das Schaltventil 3 und bestimmt, ob das einfließende Gas das Kalibrationsgas ist oder nicht, in Abhängigkeit davon, ob das Schaltventil 3 auf das Probengas oder aber das Kalibrationsgas geschaltet ist. Wenn das einströmende Gas das Probengas ist, wird bestimmt, ob CO₂-Gas enthalten ist oder nicht. Diese Bestimmung ergibt sich aus ei ner vorangehenden Einstellung oder aber einer manuellen Eingabe, die durch eine Bedienperson über die Eingabe einheit 8 durchgeführt worden ist.
3. Unter der Annahme, daß die CO₂-Konzentration in dem Probengas in der Meßvorrichtung zum Messen eines Abgases auf 10% gesetzt ist, wird angenommen, daß die CO₂- Gaskonzentration 10% beträgt, wenn eine Bestimmung ge macht wird, daß CO₂-Gas enthalten ist, wenn nicht die Bedienperson eine von 10% abweichende CO₂-Konzentration eingibt. Wenn eine andere CO₂-Konzentration als 10% an gegeben wird, wird ein korrigierter Wert durch Verschie ben eines Abweichungswertes, der in Fig. 2 gezeigt ist, gewonnen und mit der eingegebenen CO₂-Konzentration aus gegeben. Die Operation für diese Korrektur erfolgt ent sprechend der folgenden Gleichung:
KO₂ = KO₂'(1 + α.KCO₂),
wobei KO₂ die O₂-Konzentration nach der Korrektur an gibt, KO₂' die O₂-Konzentration vor der Korrektur an gibt, KCO₂ die CO₂-Konzentration in dem Probengas angibt und α das Ausmaß des Einflusses der CO₂-Störung, die den in Fig. 2 durch die CO₂-Konzentration gezeigten Wert an nimmt, angibt.
4. Wenn das Probengas kein CO₂-Gas enthält, wird der gemessene Wert direkt ohne Korrektur ausgegeben.
5. Wenn erkannt worden ist, daß das in das Schaltventil 3 einströmende Gas das Kalibrationsgas ist, wird keine Korrektur durchgeführt, das Schaltventil 3 wird vielmehr durch die arithmetische Recheneinheit 5 auf das Probengas umgeschaltet, der Startschalter wird erneut betä tigt.

Wenn die CO₂-Gaskonzentration in dem Probengas bekannt ist, wird eine Korrektur mit hoher Genauigkeit durch Ausführen der Korrektur ohne vorherige Einstellung des Wertes auf 10%, sondern mit einer Einstellung der CO₂- Gaskonzentration auf die bekannte Konzentration möglich.

Obwohl die arithmetische Recheneinheit 5 in der obigen Beschreibung durch eine CPU ausgebildet ist, kann die Korrektur in entsprechender Weise durch einen elektri schen Schaltkreis statt durch eine CPU durchgeführt wer den.

Bezüglich eines Gases, das kein CO₂-Gas ist, das in dem Probengas mit einem großen Anteil vorhanden ist und die physikalischen Eigenschaften des Gases ändert, ist es möglich, eine Korrektur durchzuführen, die derjenigen für CO₂-Gas entspricht, als Störgas, das die Messung der Sauerstoffkonzentration stört, um einen gemessenen Sau erstoffkonzentrationswert auszugeben.

Wenn ein der Sauerstoffkonzentration entsprechender Wert, der durch ein Störgas wie CO₂-Gas beeinflußt wird, nicht korrigiert wird, wie in dem Stand der Technik, ist es unmöglich, die Sauerstoffkonzentration eines Proben gases, etwa eines Abgases, das einen großen Anteil an CO₂ enthält, richtig zu messen. Bei der vorliegenden Er findung ist es dagegen möglich, die Sauerstoffkonzentra tion mit einer relativ hohen Genauigkeit mit einfachen Korrekturmitteln zu messen.

Claims

1. Grenzstrom-Sauerstoffkonzentrationsmeßvorrichtung, mit
einem Probengaseinlaß (1),
einem Kalibrationsgaseinlaß (2),
einem Sauerstoffkonzentrationsdetektor (4), der durch einen Grenzstrom-Sauerstoffsensor gebildet ist,
einem Gaseinstromschaltventil (3), der zwischen den Probengaseinlaß (1) und dem Kalibrationsgaseinlaß (2) sowie dem Sauerstoffkonzentrationsdetektor (4) liegt, zum wahlweisen Schalten des Kalibrationsgases oder des wenigstens ein Störgas enthaltenden Probengases zu deren Einführen in den Sauerstoff-Konzentrationsdetek tor (4);
einer Speichereinheit (7), die die Relation des Ausma ßes der Störung zu der Störgaskonzentration bezüglich wenigstens eines Störgases, das den den Sauerstoffge halt der Probe angebenden Wert beeinflußt, speichert; und
einer arithmetische Recheneinheit (5) zum Korrigieren der Störung entsprechend der Konzentration des Störga ses bezüglich eines Detektionswertes des Sauerstoff konzentrationsdetektors (4) auf der Grundlage der in der Speichereinheit (7) gespeicherten Relation.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Eingabeeinheit (8) zum manuellen Eingeben der Kon zentration des Störgases.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Eingabeeinheit (8) zur manuellen Eingabe der Kon zentration des Störgases, wenn die Konzentration des in dem Probengas enthaltenen Störgases sich von der einge stellten Konzentration unterscheidet.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Störgas CO₂-Gas ist, wobei die Konzentration des Störgases auf 10% eingestellt ist.