专利名称：测定测量气体中含氧化合物浓度的装置和方法
现有技术本发明涉及测定测量气体中确定的含氧化合物的浓度，该测量气体还包含其他的含氧化合物。
使用发动机燃烧产生的废气作为测量气体尤其令人关注。这种确定的待测浓度的含氧化合物是氧化氮。特别地，上述另外的含氧化合物可以考虑氧分子、一氧化碳、二氧化碳以及水。
由SAE论文960334以及EP 678740已经公知带有两个腔室的NOx传感器，其局限于可离子导电的固体电解质。第一腔室经过第一扩散屏障与测量气体相连。第一和第二腔室通过另一个扩散屏障彼此相连。第一腔室中的氧气浓度通过第一电解的氧泵槽(Sauerstoffpumpzelle)减少到预定的数值。此外，一个泵电压通过电极加在电解质上，使得在电解质中产生的电场激发腔室中氧离子形成的电流。此时通过选择适当的物理条件如-温度-电极材料的有针对性的催化作用，以及-泵电压达到，从而确定的待测浓度的含氧化合物(例如NOx)对第一腔室中的氧泵电流没有作出贡献。当例如确定的含氧化合物是氧化氮时，设定所说的物理条件使得氧气和氮气的分解不发生在第一腔室的电极。也抽不掉化合物中的氧，这样对第一腔室中的氧泵电流没有影响。
第二电解泵槽在第二腔室中将氧气浓度进一步减小。在减小氧气浓度的情况下，引起氧化氮分解为氧气和氮气。把在第二腔室中泵电流的强度用作测量在测量气体中的NOx浓度的量度。这种传感器的原理以下面所述为基础，即将氧从第二腔室中抽出，打破了化学反应的平衡，这对方程式的右边有利。
因为在抽氧的过程中，NO在第二腔室中分解，NOx化合物供给第二腔室中的泵电流。此外，因为O2浓度通过前置的第一泵槽已知，假设其为常数，则原则上，测量气体中的NOx数量由第二腔室中泵电流的强度确定。
依照现有技术的传感器具有泵电流-偏移、漂移以及有很强的温度依赖性。
这些缺陷由以下原因造成通过氧导电固体电解质的传导的剩余导电性以及通过浪涌电压以及电场-电流耦合，在缺少氧化氮时，氧化氮-测量信号也会形成偏移量。通过结构变化，在运行期间，固体电解质的电特性发生变化，以至于不仅信号振幅而且零点都发生变化。
从上述背景可知，本发明的任务是在探测确定的含氧化合物的浓度时，使信号偏移、寿命漂移以及与温度相关的特性最小。
所希望达到的效果通过独立权利要求的特征来实现。
具体而言，在该方法中采用带有第一腔室和第二腔室的传感器测定外部容积中的测量气体中氧化合物的浓度(该测量气体也包含氧)，第一腔室通过第一扩散屏障与外部容积相连，并且通过另一个扩散屏障与第二腔室相连。
进一步设置用于减少第一腔室中氧气浓度的装置以及测量第二腔室氧浓度的装置。根据本发明，在第一阶段，将第一腔室中的氧浓度减少到一个数值，此时，含氧化合物的浓度不会发生变化，随后在第二阶段，在第一腔室中进一步减小到一个数值，此时，第一含氧化合物的浓度开始发生变化。所述的用于所求浓度的量度由第一、二阶段在第二腔室中测得的氧浓度差构成。
不同于求值法，其由现有技术可知，此时，第一腔室中泵电极的电压调整到相对于大气参考电极的固定值，根据本发明，在两个数值UIPE_H，UIPE_L之间交替反转变化。
不仅在UIPE_H而且在UIPE_L对第二腔室的泵电流进行抽样。由在UIPE_H和UIPE_L第二腔室的泵电流的差，形成用来探测确定含氧化合物的浓度的量度。
根据本发明，在两个不同的泵电压下，第二腔室中泵电流的抽样值的差引起偏移、老化漂移以及温度特性的减少。差值法在某种程度上引起第二腔室中泵电流的调零。换句话说，根据本发明的方法，使得称作第一氧泵电极关于泵电压摆动运行。根据本发明的摆动运行，由于不断调零，使测量的偏移和漂移都极小。
因此本发明有以下优点传感器的温度变化对信号大小和零点产生相似的影响，从而通过摆动方法，降低了氧化氮信号温度系数。
由电流-电场耦合造成的信号误差得到明显改善，这个误差几乎等同于信号大小和零点。
通过不断确定零点，彻底消除零点的漂移。
通过测量值的有效性测试大幅度降低了脉动干扰(如来自于高频连接源)。
以下依照附图对本发明的实施例进行解释。
图1为双腔室-NOx-传感器，它适合于实施根据本发明的方法。
图2为根据本发明的传感器的工作电路。
图3公开了信号时序图，其在根据本发明方法的实施过程中出现。
图1中的标记1表示固体电解质，其带有三个腔室2、3和4，扩散屏障5和6以及电极7-11和加热器12。
第一腔室2通过扩散屏障5与废气相连，并通过第二扩散屏障6与第二腔室3相连，第一或第二腔室可选择地由多个腔室构成。第三腔室4通过一个通道仅与大气相连，并且它包括一个大气参考电极10。
氧泵电极7用作第一腔室的氧泵负极。
电极8用作第二腔室的氧泵负极，如上所述，泵电流在确定的条件下用作探测氧化氮或者其他含氧化合物的浓度的量度。
除了电极8，在第二腔室中还设置了另一个泵电极9，它的材料比如有利于氧化氮的分解。
对于抽氧过程，每个直接对照的正电极用作正的反电极。这也可以是外部泵电极11。
在泵电极9上测量氮泵电流。
泵电极9具有负电势。所以对于每个电极都可以考虑其它电极作为反电极。根据固体电解质中的场的几何形状，可分布多个其它正电极。
绝缘加热器12提供传感器所需的工作温度。
所说的传感器有以下功能测量气体通过第一扩散屏障5传到第一腔室2，该测量气体除了氧分子还包括少量待测浓度的含氧成分。比如上述含氧成分可以是氧化氮。
电极7、8和9中的每一个总是与每一个正电极以及位于电极之间以离子导电的固体电解质连在一起构成氧泵，尤其可以考虑电极11作为正的反电极。
电极之间的电势差在电解质中引起产生氧离子泵电流的电场。
通过选择合适的电极材料，比如，与其它含氧化合物的分离相比，宁愿选择氧分子的离解。
当比如，探测氧化氮浓度时，最好，氧泵电极7有利于氧的离解，但不利于一氧化氮的分解。
相比之下，NO泵电极9在这种应用情形中具有氧化氮分解作用。
第一腔室的氧泵通过抽出氧离子减少了第一腔室中测量气体的含氧量，这些氧离子来自于分子态的氧，而不是至少来自于含氧成分。
在使用根据现有技术的传感器的情形下，将外部泵电极的电势调整到相对于大气参考电极的一个固定值。这个电势差越高，在第一腔室中形成的氧浓度越小。固定的数值在按照现有技术的传感器的情况下这样预先确定，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。
相比之下对于外部的泵电极，本发明至少采用两个电位值，使传感器的运行被控制在这二个电位值之间。
带有减少的氧含量的测量气体通过第二扩散屏障传到第二腔室。在那，继续抽出氧气，以致于在第二腔室中的氧含量降低时，馈送源至少将含氧成分激活成泵电流，形成的泵电流作为待测定含氧化合物的浓度探测量度。
运行根据本发明的传感器，需要提供不同电压的求值电路，它通过测量电流获得测量信号。
求值电路的方框电路图在图2中进行了说明。
在第一腔室中的氧泵电极7，在某种程度上虚拟接地。这通过具有非常小的内阻的电流源2.14形成。电流源2.14补充负电荷，这些负电荷从泵电极7通过氧离子通路经固体电解质流到正电极11。电流表2.15测量出的第一腔室泵电流，随着外部容积中增大的氧浓度而增大。因此它可用作氧浓度的量度，也可以用来，例如调整燃烧过程的动力燃料/空气的比例。
反电极11置于相对于地电位为正的电位，其中，它通过连接装置2.10在大气参考电极10的电压附近变化。方框2.11中被提供的负电压(U_IPE-额定值大气参考电极的电位)的反转在所述实施例的框架内使得外部的氧泵电极11与氧泵电极7相比正。
电势U_IPE_额定值由参考电压2.1与运算放大器2.2相关联地生成，并经由调节器2.13调节。
在腔室2中设置的电极8和9的电压，由参考电压2.4和2.6以及运算放大器2.5和2.7生成。在此，用于氧泵电极8的参考电压表示为U_O2_SOLL＜0，用于NO泵电极10的参考电压表示为U_NO_SOLL＜0。
电极8和9的电压通过连接装置2.8和2.9围绕大气参考电压调整。
其它电极电势可直接得到。NO-泵电流经过已知的电流电压转换测得，这个功能通过电流表2.12体现。
根据本发明，U_IPE-额定值并非恒定不变，而是在两个电压值UIPE_H和UIPE_L之间往复反转变化。该反转变化通过控制芯片2.16控制，该控制芯片2.16至少具有处理器和程序存储器以及数据存储器。在图3a中说明对一个电压反转变化的实施例的U_IPE-额定值可能的时序。图3b示出第二腔室泵电流的相关时序，该泵电流由电流表测量2.12并通知控制芯片2.16。与实施例相应的，图3b中的信号是NOx-信号。当该名称以后继续使用时，它在某种程度上代表任意一种其它含氧化合物，这种含氧化合物允许通过所述的多腔室原理，其它含氧化合物在测量技术方面有所不同。
在图3a中的低电压UIPE_L与如下电压相应，即从现有技术可知，用于调整第一氧泵电极的状态的电压。
这个电压以的特征在于尽管一方面第一腔室中氧浓度减小，但另一方面剩余氧浓度维持不变。在这种情况下不发生NOx的分解。
氧化氮进一步扩散到第二腔室，在那里分解，并且由此引起图3b中电平1的NOx信号。
在高电压情况下，第一腔室的氧泵电极用泵抽掉来自O2的氧，还有来自H2O、CO和NO以及NO2的氧。
将UIPE_H的值选择在例如500-1000mv，尤其是600-850mv的范围内，以使第一腔室的泵电极除了废气中的氧之外，还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，以致于氧化氮不能从第一腔室补充到第二腔室中。
在第二腔室中抽调用于测量的氧化氮中的氧，在第二腔室中氧化氮浓度由于缺少补给同样降至零。结果是，在第二腔室中的氧化氮浓度趋向零摆动之后，得到信号的零。就是图3b中由2表示的电平。
最后，作用在第一腔室的泵电压降到低电压值UIPE_L。
在低电压情况下，经过信号摆动变化测出的带有零值的信号值(电平1)被测得。
带有零值的信号值减去控制芯片2.16事先设定的零值，得出用于输出的纯粹的信号值，其信号调节量适于内燃发动机的运行。根据本发明采用形成的NOx-信号，由方框2.17表示。
另一个实施例公开了这样一种可能性，NOx-信号中来自于高频连接源的脉冲干扰，大幅减少。
这个实施例在一定程度上描述用于扫描的信号值的有效性测试。从图3中得以解释。仅当没有大的速度改变时，信号值有效。尤其渐渐消除了NOx-信号脉冲地对泵电压的电平交变的反应。
从UIPE_H到UIPE_L(对照图3a)第一变更时刻为t＝0。时间tH后，发生从UIPE_L到UIPE_H突变，并且tL时间后重新返回，当时间tHL＞tH后，对求值电路的氧化氮信号进行第一次抽样。测量值抽样在图3c中由脉冲体现，随后是tH2，tH3......tHn。在多个抽样情况下，两个前后相邻的tH1和tH1+1的抽样差值作为抑制振荡的评估量度。如果UH和UL的差(如在图3d中所示)足够小，抽样值才作为有效抽样。图3d中上面的线是扫描-停留-信号进程，对应于低泵电压阶段。它相应于带有零值的NOx-信号。下面的线与扫描-停留-信号进程相适应，对应于高泵电压的阶段，该高电压提供NOx-信号的零值。
通过有效性测试明显降低了引起跳跃变化的信号干扰。
最终的零值通过对有效值求平均得出。
同样适用于tH＜t＜tL时间段方法，代替时间tLM＞tLM-1......＞tL2＞tL1＞tL的零值，得到在零值附近变化的信号大小。
最终的带有零值的信号值通过对有效信号大小求平均得出。
将带有零值的信号值减去预先设定的零值，得到要输出的纯粹的信号值。
除了来自有效的信号大小(零值)构成平均值，也可以考虑其他数学函数，所述数学函数可以产生最终的信号量值，例如加权(评估)的和。
权利要求
1.在外部容积中测定含氧化合物在测量气体中的浓度的方法，该容积中还包含有氧，该方法利用带有第一腔室(2)和第二腔室(3)的传感器，第一腔室通过第一扩散屏障(5)与外部容积相连，第二腔室通过另一个扩散屏障(6)与第一腔室相连，该方法利用装置(7，11，2.1，2.2，2.10，2.11，2.13)减小第一腔室中的氧浓度，并且利用装置(2.12，2.16)测量第二腔室中的氧浓度，其特征在于，将第一腔室中的氧浓度在第一阶段减少到一个数值，此时，含氧化合物的浓度不发生变化，在第二阶段，在第一腔室中含氧化物进一步减小到一个数值，此时，第一含氧化合物的浓度开始发生变化，用第一、二阶段在第二腔室中所测氧浓度的差构成所求浓度的量度。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，在第一腔室中用来减少氧浓度的装置包括固体电解质，其没置在2个电极之间，在所述电极上加有电压。
3.根据权利要求2的方法，其特征在于，在第二阶段加在所述电极上的电压比第一阶段的高。
4.根据上述的权利要求之一的方法，其特征在于，在第二腔室中测定氧浓度的装置包括产生可氧化气体的气体产生电极。
5.根据权利要求1-3中之一的方法，其特征在于，测定在第二腔室氧浓度的装置包括两个电极(8、9)，其中的一个电极(8)有利于氧的分解，以及另一个电极(9)有利于氧化氮的分解。
6.根据上述的权利要求之一的方法，其特征在于，采用燃烧过程中产生的废气作为测量气体。
7.根据上述的权利要求之一的方法，其特征在于，将氧化氮作为确定的待测浓度的含氧化合物。
8.在外部容积中测定含氧化合物在测量气体中的浓度的设备，该容积还包含有氧，该设备包括带有第一腔室(2)和第二腔室(3)的传感器，第一腔室通过第一扩散屏障(5)与外部容积相连，第二腔室通过另一个扩散屏障(6)与第一腔室相连，该设备包括用来减小第一腔室中氧浓度的装置(7，11，2.1，2.2，2.10，2.11，2.13)和用来测定第二腔室中的氧浓度的装置(2.12，2.16)，其特征在于，在第一阶段，用于减小第一腔室中氧浓度的装置将氧浓度减少到一个数值，此时，含氧化合物的浓度不会发生变化，在第二阶段，在第一腔室中含氧化合物的浓度进一步减小到一个数值，此时，第一含氧化合物的浓度开始减少，装置(2.16)将第一、二阶段在第二腔室中所测氧浓度差构成为所求浓度的量度。
全文摘要
本发明描述了探测外部容积中测量气体中的含氧化合物浓度的方法和设备，该容积还含有氧。本发明的方法利用带有第一腔室和第二腔室的传感器，第一腔室通过第一扩散屏障与外部容积相连，第二腔室通过第二扩散屏障与第一腔室相连。该设备进一步包括用来减小第一腔室中的氧浓度装置和用来探测第二腔室中的氧浓度的装置。第一腔室中的氧浓度在第一阶段减少到一个数值，此时，含氧化合物的浓度不会发生变化。在第二阶段，在第一腔室中进一步减小到一个数值，此时，第一含氧化合物的浓度开始减少。由第一、二阶段第二腔室中被测氧浓度的差形成用于探测相应浓度的量度。
文档编号G01N27/406GK1500211SQ02807739
公开日2004年5月26日 申请日期2002年2月27日 优先权日2001年3月31日
发明者B·克拉默, B·舒曼, B 克拉默 申请人:罗伯特-博希股份公司