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WO2014128077A1 - Vorrichtung zum ermitteln eines masses für einen brennwert eines gases - Google Patents

Vorrichtung zum ermitteln eines masses für einen brennwert eines gases Download PDF

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WO2014128077A1
WO2014128077A1 PCT/EP2014/053006 EP2014053006W WO2014128077A1 WO 2014128077 A1 WO2014128077 A1 WO 2014128077A1 EP 2014053006 W EP2014053006 W EP 2014053006W WO 2014128077 A1 WO2014128077 A1 WO 2014128077A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
gas
membrane
voltage
control
current
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2014/053006
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Philippe Grass
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Continental Automotive GmbH
Original Assignee
Continental Automotive GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Continental Automotive GmbH filed Critical Continental Automotive GmbH
Priority to CN201480009314.6A priority Critical patent/CN104995507B/zh
Priority to US14/768,728 priority patent/US9851317B2/en
Priority to DE112014000892.3T priority patent/DE112014000892B4/de
Publication of WO2014128077A1 publication Critical patent/WO2014128077A1/de
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Ceased legal-status Critical Current

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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N25/00—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means
    • G01N25/20—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating the development of heat, i.e. calorimetry, e.g. by measuring specific heat, by measuring thermal conductivity
    • G01N25/22—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating the development of heat, i.e. calorimetry, e.g. by measuring specific heat, by measuring thermal conductivity on combustion or catalytic oxidation, e.g. of components of gas mixtures
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/22—Fuels; Explosives
    • G01N33/225—Gaseous fuels, e.g. natural gas
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • 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
    • G01N27/403—Cells and electrode assemblies
    • G01N27/406—Cells and probes with solid electrolytes
    • G01N27/4065—Circuit arrangements specially adapted therefor

Definitions

  • the invention relates to a device for determining a measure of a calorific value of a gas. Furthermore, the invention relates to a method for determining a measure of a calorific value of a gas.
  • Petrol engines running on gasoline or diesel fuel can be converted to operation with compressed natural gas (CNG).
  • CNG compressed natural gas
  • the gas usually has different components in different countries. Especially the proportion of nitrogen or
  • Carbon dioxide reduces the calorific value of the gas.
  • a method for determining a measure of a calorific value of a gas is to be specified.
  • An embodiment of a device for determining a measure of a calorific value of a gas is given in claim 1.
  • the device for determining a measure of a calorific value of a gas comprises a membrane, which is formed above a threshold value of a temperature for transporting oxygen, a heating device for heating the membrane and a first electrode, which is arranged on a first side of the membrane, and a second electrode disposed on a second side different from the first side of the membrane. Furthermore, the device comprises a controllable voltage / current source for generating a control voltage ⁇ / a control current between the first and second electrodes for controlling the transport of oxygen through the Membrane and an evaluation device for determining the measure of the calorific value of the gas having combustible gas fractions.
  • the controllable voltage / current source is adapted to generate the control voltage / the control current so that such an amount of oxygen through the membrane trans ⁇ is ported in response to a level of the control voltage / the control current that burn the combustible components of the gas in that the first electrode is arranged in a first environment containing the gas and the second electrode in a second environment containing a reference gas other than the gas with the oxygen.
  • the evaluation device is designed to determine the measure of the calorific value of the gas as a function of the generated control voltage / of the generated control current or as a function of a level of the temperature of the membrane or as a function of an impedance of the membrane.
  • An embodiment of a method for determining a measure of a calorific value of a gas is specified in claim 12. The method comprises the following steps:
  • the membrane, the heating device and the first and second electrodes may for example be part of a lambda probe.
  • a lambda probe is typically used to measure the residual oxygen content present in a combustion exhaust gas to control the ratio of combustion air to fuel for further combustion so that neither fuel nor excess air occurs.
  • the lambda probe can be arranged between an environment with oxygen-containing reference air and an environment which guides the exhaust gas flow.
  • an yttrium-doped (YSZ) ceramic can be used as the membrane between the first and second electrodes.
  • the membrane can be heated to about 700 ° C. by means of the heating device.
  • the lambda probe can contain a Refe rence ⁇ channel through which diffuses the oxygen-containing ambient air into the heated region of the sensor.
  • the first electrode is arranged in the exhaust gas flow and the second electrode in the reference channel. Due to the oxygen concentration difference between the
  • Exhaust gas flow and the oxygen-containing ambient air occurs in a lambda probe to an ion diffusion of oxygen, so that oxygen ions from the high concentration of the reference air and thus from the second electrode through the membrane to the first electrode or to the low oxygen concentration of the exhaust gas ,
  • the electrons required to ionize the oxygen atoms are supplied by the electrically conductive first and second electrodes.
  • an electrical voltage can be tapped between the first and second electrodes. Based on this probe voltage can make a statement as to whether there is much or little oxygen in the exhaust stream.
  • the lambda probe is now converted into a MEMS furnace.
  • the oxygen required for the micro-combustion in the gas diffuses via the reference channel to the second electrode, which is now operated as a pump cathode with a reverse polarity compared to a conventional lambda probe.
  • the control voltage / the control current is applied between the first and second electrodes.
  • oxygen ions are transported from the second electrode through the membrane to the first electrode, which is located in the gas flow of the gas whose calorific value is to be determined.
  • the oxygen ions or the oxygen ions converted to molecular oxygen burn in the region of the first electrode with the combustible components of the gas.
  • the firing process runs due to the catalytic effect of the first and second electrodes, which may be formed, for example, as porous platinum ⁇ electrodes, without flame development.
  • the control voltage generated by the controllable voltage / current source is generated
  • Control current which is necessary to pump oxygen ions into the gas and burn there with the gas, evaluated by the evaluation device.
  • the control voltage / the control is generated by the controllable voltage / current source in ⁇ on successive time cycles each consisting of a first and a subsequent second period of time only during the second time period between the first and second electrode Ström.
  • the voltage occurring between the first and second electrodes is measured by a voltage measuring device .
  • the control device regulates the control voltage / the control current as a function of during the first time measured voltage. For example, the control voltage / current can be adjusted such that the voltage measured between the first and second electrodes has a level of approximately 450 mV.
  • a second and third possible embodiment of the device or the method for determining a measure of the calorific value of the gas is in the case of using a controllable voltage source from the controllable voltage source, a voltage of about 0.3 V to 2 V between the first and second electrode to pump oxygen ions from the reference gas into the gas whose calorific value is to be detected, and burn it together with the combustible portions of the gas.
  • the exothermic reaction leads to a temperature increase of the membrane, which can be used as a measure of the calorific value.
  • the heating device can be designed as a pulse-width-modulated heating device.
  • the pulse width modulated heater may be configured so that the pulse width modulation rate (PWM rate) of the heater automatically increases when the temperature of the membrane for the oxygen-ion transport is too low, or automatically decreases when the temperature the membrane is too high or is significantly above the above threshold temperature.
  • PWM rate pulse width modulation rate
  • an impedance between the first and second is determined by the evaluation device in the pump pauses during the first time period of the successive time cycles Electrode determined.
  • the impedance of the membrane is temperature-dependent.
  • Figure 1 shows a first embodiment of a device for
  • Figure 2 shows a second embodiment of a device for
  • Figure 3 shows a third embodiment of an apparatus for
  • Figure 4 shows a fourth embodiment of an apparatus for
  • Figure 5 shows a fifth embodiment of an apparatus for
  • Figure 6 shows a sixth embodiment of a device for
  • Figure 7 shows a seventh embodiment of an apparatus for
  • Figures 1 to 7 show different embodiments of a device for determining a measure of a calorific value of a gas G, which has combustible fractions.
  • the device has a membrane 10, a heating device 20, a first electrode 30, a second electrode 40, a controllable voltage / current source 50 and an evaluation device 60 and a control device 70 for controlling the controllable voltage / current source 50.
  • the common components of the different Embodiments of the device for determining a measure of the calorific value of a gas specified. Subsequently, special features of the respective embodiments of the device will be discussed.
  • the membrane 10 may comprise a material of an yttrium-doped ceramic.
  • the membrane 10 can be designed such that it is suitable for heating above a threshold value of a temperature for transporting oxygen, in particular oxygen ions.
  • the heating device 20 may be designed to heat the membrane, in particular to heat the membrane to the threshold value of the temperature at which the membrane becomes permeable to oxygen.
  • the first and second electrodes 30, 40 may be made porous of a material of platinum.
  • the first electrode 30 can be arranged on a first side 11 of the membrane 10, which is to be determined in a first environment U1 of the gas G, for the calorific value of which a measure is to be determined.
  • the second electrode 40 may be arranged on a second side 12, different from the first side, of the membrane 10.
  • the second electrode 40 and thus the second side 12 of the membrane 10 may be disposed in a second environment U2, which contains a different gas from the oxygen-G ⁇ containing reference gas RG.
  • the controllable voltage / current source 50 is for generating a control voltage / a control current between the first and th two ⁇ electrode 30, 40 is designed for controlling the transport of oxygen through the membrane 10th
  • the controllable voltage / current source 50 is in particular designed to generate the control voltage / current in such a way that, depending on a level of the control voltage / current, such an amount of oxygen is transported through the membrane 10 that the combustible components of the gas G burn when the first electrode 30 in the first environment comprising the gas G Ul and the second electrode 40 in the second the reference gas RG is arranged with the oxygen-comprising environment U2.
  • the controller 70 drives the controllable voltage / current source 50 in successive time cycles such that during a first time period of each of the time cycles, no control voltage / control current is generated from the controllable voltage / current source 50 and during a first time period subsequent second period of each of the time cycles, the control voltage / the control current is generated with a level.
  • the level of the control voltage / the control current is selected such that sufficient oxygen is transported from the Re ⁇ reference gas RG through the membrane to the first electrode 30 and burns in the environment Ul together with the combustible components of the gas G when the first electrode 30 in the vicinity Ul of the gas and the second electrode 40 in the vicinity U2 of the oxygen-containing reference gas RG is arranged.
  • the evaluation device 60 is for determining the extent of
  • the evaluation ⁇ device 60 is formed to the measure of the calorific value of the gas G in response to the generated control voltage or the control current generated to investigate.
  • the evaluating device 60 is designed to measure the calorific value of the gas G as a function of a level
  • the evaluation device 60 is designed to measure the calorific value of the gas G as a function of an impedance of the membrane 10 to investigate.
  • the first electrode 30 is arranged in the environment U1 of the gas G, for the calorific value of which a measure is to be determined with the device.
  • the second electrode 40 is disposed in the vicinity U2 containing the oxygen-containing reference gas RG.
  • the diaphragm 10 may be configured such that the pre ⁇ direction about the second electrode 40 around a channel with an inlet opening RK ERK for the inflow of the reference gas RG in the channel and thus has the second electrode 40th
  • the channel RK in turn is shaped such that the reference gas RG is supplied to the second electrode 40 via the channel RK.
  • a diffusion barrier 130 can be provided, via which the reference gas RG flows into the channel RK and thus reaches the second electrode 40.
  • Apparatus for determining the calorific value of a gas may be the arrangement of the membrane 10, the heating device 20 and the first and second electrodes 30, 40 part of a lambda probe 1000.
  • the diaphragm 10 the heater 20 and the first and second electrodes 30, 40 part of a lambda probe 1000.
  • Electrode 30, 40 designed as part of a jump probe 1100.
  • Wideband sensor 1100 includes a Nernst cell 1210 and a pumping cell ⁇ 1220 and.
  • the Nernst cell 1210 includes the diaphragm 10 and the first and second electrodes 30, 40.
  • the pump cell 1200 may have a third electrode 110 and a fourth electrode 120 on ⁇ .
  • the membrane is formed between the Nernst cell 1210 and the pump cell 1220 such that a channel with a MG A ⁇ EMG opening for the inflow of the gas G is formed in the channel MG.
  • a diffusion barrier 140 may be arranged, through which the gas G into the channel MK enters. Since the channel MK is connected to the membrane-side end and since the diffusion barrier 140 is provided at the inlet opening EMG, the channel MK in embodiments 2, 4, 6 and 7 forms a measuring chamber into which the oxygen is pumped via the Nernst cell 1210. The Ver ⁇ , combustion of the oxygen and the combustible components of the gas G passes to the first electrode 30 within the measuring chamber MK.
  • the controllable voltage / current source 50 is connected to the first and second electrodes 30, 40 to apply the control voltage / current between the first and second electrodes 30, 40.
  • the device 1 and 2 has a voltage measuring device 80, which is also connected to the first and second electrodes 30, 40.
  • the voltage measuring device 80 is designed to determine the voltage level applied between the first and second electrodes 30, 40 during the first time duration of each of the time cycles.
  • control device 70 is designed to control the controllable voltage / current source 50 in such a way that the controllable voltage / current source 50 determines the level of the control voltage / current during the second time period of each of the control voltages Time cycles in response to the detected during the first period of each of the time cycles voltage level generated.
  • the embodiments 1 and 2 of the apparatus for determining a measure of a calorific value of a gas differ in that in the embodiment 1, the membrane 10, the heating device 20 and the first and second electrodes 30, 40 are formed as part of a jumping probe, while in Embodiment 2, the diaphragm 10, the heater 20 and the first and second electrodes 30, 40 are formed as part of a linear lambda probe or broadband probe. In embodiment 2, the pump cell 1220 may remain disconnected.
  • the device In order to determine a measure of a calorific value of the gas G by means of the device according to embodiments 1 and 2, the device is arranged such that the first electrode 30 is in contact with the gas G and the second electrode 40 flows around the oxygen-containing reference gas RG becomes.
  • the control device 70 controls the controllable voltage / current source 50 in such a way that a control voltage / current lies between the first and second electrodes 30, 40 at a level, so that such an amount of oxygen from the second environment U2 through the Membrane 10 is transported to the first environment Ul, so that the oxygen in the area around the first electrode 30 together with the combustible components of the gas G burns.
  • the controller 70 controls the controllable voltage / current source 50 such that the control voltage / current depends on that previously measured between the first and second electrodes 30,40 Voltage level is generated. The level of the
  • Control voltage / the control current can be generated in such a manner, for example, cycles during each ⁇ the second period of the measuring time that the during the first time period of the measurement time cycles measured voltage level between the first and second electrodes 30, 40, a voltage level of about 450 mV takes.
  • ll controlled control current is evaluated by the evaluation device 60 and is a measure of the calorific value of the gas G.
  • the controllable voltage / current source 50 is connected to the first and second electrodes 30, 40 to supply the control voltage / current between the first and second electrodes 30, 40 to apply.
  • the control voltage / the control current is generated at a level which is sufficient to pump oxygen from the Re ⁇ ferenzgasumlibrary U2 in the sample gas G and to burn together with the combustible components of the gas G.
  • the control voltage may for example have a level between 0.3 V and 2V.
  • the control device 70 is designed to control the heating device 20.
  • the control device 70 is in particular designed to control the heating device 20 in successive heating periods such that the heating device 20 is deactivated during a first period of each heating period and activated during an adjoining second period of each heating period for heating the membrane 10.
  • the heating means 20 may for example be designed as a pulse-width-modulated heating means activated in response to a predetermined by the control unit 70 PWM-rate during the first time period the heating season de ⁇ and during the second time duration of each heating period is activated.
  • the PWM rate which thus indicates the ratio of the switch-on and switch-on time of the heating device 20, is predetermined by the control device 70 as a function of the temperature of the membrane 10.
  • a temperature measuring device 90 is provided.
  • the temperature measuring device 90 may be coupled to the control device 70.
  • the control device 70 is designed to adjust the ratio of the first and second time duration, that is to say the switch-on and switch-off time. Duration of the heating device, depending on the determined temperature of the temperature measuring device 90 of the membrane 10 to adjust.
  • the evaluation device 60 evaluates the ratio of the first and second time duration of each heating period or the ratio of the off / on time of the heating device 20 and determines a measure of the calorific value of the gas G in dependence on this ratio.
  • the embodiments 3 and 4 of the apparatus for determining a measure of the calorific value of a gas differ in that in the embodiment 3, the membrane 10, the heating device 20 and the first and second electrodes 30, 40 are formed as part of a jumping probe, while at Embodiment 4, the membrane 10, the heating device 20 and the first and second electrodes 30, 40 are formed as part of a linear lambda probe or broadband probe.
  • the pump cell 1220 may remain uncommanded.
  • the controllable voltage / current source 50 is connected to the first and second electrodes 30, 40 in order to control the control voltage / to apply the control current between the first and second electrodes 30, 40.
  • the control voltage or the control current is generated at a level which is sufficient for pumping oxygen from the reference gas environment U 2 into the measurement gas G and together with the combustible components of the gas G. burn.
  • the control voltage may be generated at a level between 0.3V and 2V and applied to the first and second electrodes.
  • the devices 5, 6 and 7 each have a measuring device 100 for measuring the impedance of the membrane 10.
  • the evaluation device 60 is configured to evaluate the impedance measured by the measuring device 100 during the first time duration of each of the measuring time cycles and to determine the degree of the calorific value of the gas G as a function of the evaluation.
  • no control voltage / control current is applied between the first and second electrodes.
  • the application of the control voltage / STEU ⁇ erstroms for the transport of oxygen in the gas G takes place cycle time of each of the measurement during the subsequent period of the first second time period.
  • measuring the impedance of the diaphragm 10 is interrupted. Since the impedance of the membrane 10 is temperature-dependent, the temperature of the membrane 10 is also used in the devices as a measure of the calorific value of the gas G as a result of the exothermic reaction.
  • the embodiments 5, 6 and 7 of the device for determining a measure of the calorific value of the gas G differ in that in the embodiment 5, the membrane 10, the
  • Heating device 20 and the first and second electrodes 30, 40 are formed as part of a jump probe, while in the embodiment 6 and 7, the membrane 10, the heating device 20 and the first and second electrodes 30, 40 are formed as part of a linear lambda probe or broadband probe , while in the embodiments 5 and 6, the measuring device 100 is connected for measuring the impedance of the diaphragm 10 between the first and second electrodes, wherein the off ⁇ guide die 7 of the apparatus for determining a measure of the calorific value of the gas G, the pump cell 1220 for detecting of the
  • the measuring device 100 for measuring the impedance of the diaphragm is between the third electrode 110 and the fourth electrode 120 are switched, while in the embodiments 5 and 6, it is connected between the first and second electrodes 30, 40.

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Abstract

Eine Vorrichtung zum Ermitteln eines Maßes für einen Brennwert eines Gases umfasst eine zwischen einer ersten und zweiten Elektrode (30, 40) angeordnete Membran (10), eine steuerbare Spannungs-/Stromquelle (50) zum Erzeugen einer Steuerspannung/ eines Steuerstroms zwischen der ersten und zweiten Elektrode (30, 40) und eine Auswerteeinrichtung (60) zum Ermitteln des Maßes des Brennwertes des Gases (G). Durch Anlegen der Steuerspannung/des Steuerstroms an die erste und zweite Elektrode (30, 40) wird Sauerstoff aus einem sauerstoffhaltigen Referenzgas (RG) in das Gas (G) durch die Membran (10) transportiert und verbrennt mit brennbaren Anteilen des Gases (G). Die Auswerteeinrichtung (60) ermittelt das Maß für den Brennwert des Gases (G) in Abhängigkeit von der erzeugten Steuerspannung/dem erzeugten Steuerstrom oder in Abhängigkeit von einer Temperatur der Membran (10) oder in Abhängigkeit von einer Impedanz der Membran (10).

Description

Beschreibung
Vorrichtung zum Ermitteln eines Maßes für einen Brennwert eines Gases
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ermitteln eines Maßes für einen Brennwert eines Gases. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Ermitteln eines Maßes für einen Brennwert eines Gases.
Ottomotoren, die mit Benzin oder Diesel als Treibstoff betrieben werden, lassen sich auf den Betrieb mit einem komprimierten natürlichen Gas (CNG, Compressed Natural Gas) umrüsten. Das Gas weist in verschiedenen Ländern üblicherweise unterschiedliche Bestandteile auf. Vor allem der Anteil an Stickstoff oder
Kohlendioxid verringert den Brennwert des Gases. Für die korrekte Regelung des Motors ist es vorteilhaft, den Brennwert des Gases zu kennen. Es ist daher wünschenswert, eine Vorrichtung zum Ermitteln eines Maßes für einen Brennwert eines Gases anzugeben. Des Weiteren soll ein Verfahren zum Ermitteln eines Maßes für einen Brennwert eines Gases angegeben werden. Eine Ausführungsform einer Vorrichtung zum Ermitteln eines Maßes für einen Brennwert eines Gases ist im Patentanspruch 1 angegeben. Die Vorrichtung zum Ermitteln eines Maßes für einen Brennwert eines Gases umfasst eine Membran, die über einem Schwellwert einer Temperatur zum Transport von Sauerstoff ausgebildet ist, eine Erwärmungseinrichtung zum Erwärmen der Membran sowie eine erste Elektrode, die auf einer ersten Seite der Membran angeordnet ist, und eine zweite Elektrode, die auf einer zweiten von der ersten Seite verschiedenen Seite der Membran angeordnet ist. Des Weiteren umfasst die Vorrichtung eine steuerbare Spannungs-/Stromquelle zum Erzeugen einer Steuer¬ spannung/eines Steuerstroms zwischen der ersten und zweiten Elektrode zur Steuerung des Transports des Sauerstoffs durch die Membran und eine Auswerteeinrichtung zum Ermitteln des Maßes des Brennwertes des Gases, das brennbare Gasanteile aufweist. Die steuerbare Spannungs-/Stromquelle ist dazu ausgebildet, die Steuerspannung/den Steuerstrom derart zu erzeugen, dass in Abhängigkeit von einem Pegel der Steuerspannung/des Steuerstroms eine derartige Menge an Sauerstoff durch die Membran trans¬ portiert wird, dass die brennbaren Anteile des Gases verbrennen, wenn die erste Elektrode in einer ersten Umgebung, die das Gas enthält, und die zweite Elektrode in einer zweiten Umgebung, die ein von dem Gas verschiedenes Referenzgas mit dem Sauerstoff enthält, angeordnet ist. Die Auswerteeinrichtung ist dazu ausgebildet, das Maß für den Brennwert des Gases in Abhängigkeit von der erzeugten Steuerspannung/des erzeugten Steuerstroms oder in Abhängigkeit von einem Pegel der Temperatur der Membran oder in Abhängigkeit von einer Impedanz der Membran zu ermitteln.
Eine Ausführungsform eines Verfahrens zum Ermitteln eines Maßes für einen Brennwert eines Gases ist im Patentanspruch 12 angegeben. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
Bereitstellen einer Vorrichtung zum Ermitteln eines Brennwertes eines Gases nach der oben angegebenen Ausführungsform, Anordnen der Vorrichtung derart, dass die erste Elektrode in der ersten Umgebung und die zweite Elektrode in der zweiten Umgebung angeordnet ist,
Anlegen der Steuerspannung/des Steuerstroms zwischen der ersten und zweiten Elektrode mit einem Pegel derart, dass eine derartige Menge an Sauerstoff von der zweiten Umgebung durch die Membran zu der ersten Umgebung transportiert wird, so dass die brennbaren Anteile des Gases verbrennen,
Verbrennen des Sauerstoffs in der ersten Umgebung an der ersten Elektrode,
Ermitteln des Maßes für den Brennwert des Gases durch Auswerten eines Pegels der Steuerspannung/des Steuerstroms oder durch Auswerten eines Pegels der Temperatur der Membran oder durch Auswerten von einer Impedanz zwischen der ersten und zweiten Elektrode während des Brennvorgangs. Die Membran, die Erwärmungseinrichtung sowie die erste und zweite Elektrode können beispielsweise Teil einer Lambdasonde sein. Eine Lambdasonde wird üblicherweise dazu eingesetzt, den in einem Verbrennungsabgas vorhandenen RestSauerstoffgehalt zu messen, um daraus das Verhältnis von Verbrennungsluft zu Kraftstoff für die weitere Verbrennung zu regeln, so dass weder ein Kraftstoff- noch ein Luftüberschuss auftritt. Die Lambdasonde kann dazu zwischen einer Umgebung mit sauerstoffhaltiger Referenzluft und einer Umgebung, die den Abgasstrom führt, angeordnet sein.
Als Membran zwischen der ersten und zweiten Elektrode kann eine Yttrium-dotierte (YSZ) Keramik verwendet werden. Damit bei einer Lambdasonde die YSZ-Membran ihre Sauerstoff-Ionenleitfähigkeit erreicht beziehungsweise damit Sauerstoffionen von einer der Elektroden durch die Membran zur anderen Elektrode gepumpt werden können, lässt sich mittels der Erwärmungseinrichtung die Membran auf ca. 700 °C aufheizen. Die Lambdasonde kann einen Refe¬ renzkanal, durch den die sauerstoffhaltige Umgebungsluft in den erwärmten Bereich des Sensors diffundiert, enthalten. Beim Einsatz einer Lambdasonde in einem Fahrzeug wird die erste Elektrode in dem Abgasstrom und die zweite Elektrode in dem Referenzkanal angeordnet. Durch den Sauerstoff-Konzentrationsunterschied zwischen dem
Abgasstrom und der sauerstoffhaltigen Umgebungsluft kommt es bei einer Lambdasonde zu einer Ionen-Diffusion des Sauerstoffs, so dass Sauerstoff-Ionen von der hohen Konzentration der Referenzluft und somit von der zweiten Elektrode durch die Membran zur ersten Elektrode beziehungsweise zur niedrigen Sauerstoff-Konzentration des Abgases wandern. Die zur Ionisierung der Sauerstoff-Atome erforderlichen Elektronen werden von den elektrisch leitfähigen ersten und zweiten Elektroden geliefert. Dadurch lässt sich zwischen der ersten und zweiten Elektrode eine elektrische Spannung abgreifen. Anhand dieser Sondenspannung lässt sich eine Aussage treffen, ob in dem Abgasstrom viel oder wenig Sauerstoff vorhanden ist. Gemäß der Erfindung wird nun bei der Vorrichtung zum Ermitteln eines Maßes für einen Brennwert eines Gases gemäß dem Patent¬ anspruch 1 die Lambdasonde zu einem MEMS-Ofen umfunktioniert. Der für die Mikroverbrennung im Gas benötigte Sauerstoff diffundiert über den Referenzkanal an die zweite Elektrode, die nun als Pumpkathode mit einer im Vergleich zu einer üblichen Lambdasonde umgekehrten Polung betrieben wird. Um den Sauerstoff aus dem Referenzgas in das Gas, dessen Brennwert bestimmt werden soll, zu pumpen, wird zwischen die erste und zweite Elektrode die Steuerspannung/der Steuerstrom angelegt. Dadurch werden Sauerstoff-Ionen von der zweiten Elektrode durch die Membran zur ersten Elektrode, die sich in dem Gasstrom des Gases, dessen Brennwert zu ermitteln ist, befindet, transportiert.
Die Sauerstoff-Ionen oder die zu molekularem Sauerstoff umgewandelten Sauerstoff-Ionen verbrennen im Bereich der ersten Elektrode mit den brennbaren Anteilen des Gases. Der Brennvorgang verläuft aufgrund der katalytischen Wirkung der ersten und zweiten Elektroden, die beispielsweise als poröse Platin¬ elektroden ausgebildet sein können, ohne Flammentwicklung.
Gemäß einer ersten möglichen Ausführungsform der Vorrichtung beziehungsweise des Verfahrens zum Ermitteln eines Maßes für den Brennwert eines Gases wird die von der steuerbaren Span- nungs-/Stromquelle erzeugte Steuerspannung/der erzeugte
Steuerstrom, die/der notwendig ist um Sauerstoffionen in das Gas zu pumpen und dort mit dem Gas zu verbrennen, von der Auswerteeinrichtung ausgewertet. Die Steuerspannung/der Steuer- ström wird von der steuerbaren Spannungs-/Stromquelle in auf¬ einanderfolgenden Zeitzyklen aus jeweils einer ersten und einer darauf folgenden zweiten Zeitdauer nur während der zweiten Zeitdauer zwischen der ersten und zweiten Elektrode erzeugt. Während der ersten Zeitdauer wird die zwischen der ersten und zweiten Elektrode auftretende Spannung von einer Spannungsmess¬ einrichtung gemessen. Die Steuereinrichtung regelt die Steuerspannung/den Steuerstrom in Abhängigkeit von der während der ersten Zeitdauer gemessenen Spannung. Beispielsweise kann die Steuerspannung/der Steuerstrom derart eingestellt werden, dass die zwischen der ersten und zweiten Elektrode gemessene Spannung einen Pegel von ungefähr 450 mV aufweist.
Gemäß einer zweiten und dritten möglichen Ausführungsform der Vorrichtung beziehungsweise des Verfahrens zum Ermitteln eines Maßes für den Brennwert des Gases wird im Falle der Verwendung einer steuerbaren Spannungsquelle von der steuerbaren Spannungs- quelle eine Spannung von ca. 0,3 V bis 2 V zwischen der ersten und zweiten Elektrode erzeugt, um Sauerstoffionen von den Referenzgas in das Gas, dessen Brennwert ermittelt werden soll, zu pumpen und zusammen mit den brennbaren Anteilen des Gases zu verbrennen. Die exotherme Reaktion führt zu einer Temperatur- erhöhung der Membran, die als Maß für den Brennwert herangezogen werden kann.
Gemäß der zweiten Ausführungsform der Vorrichtung beziehungsweise Verfahrens kann die Erwärmungseinrichtung als eine pulsweitenmodulierte Heizeinrichtung ausgebildet sein. Die pulsweitenmodulierte Heizeinrichtung kann derart ausgebildet sein, dass die Puls-Weiten-Modulations-Rate (PWM-Rate) der Heizeinrichtung automatisch steigt, wenn die Temperatur der Membran für den Sauerstoff-Ionen-Transport zu niedrig ist, beziehungsweise automatisch absinkt, wenn die Temperatur der Membran zu hoch ist beziehungsweise deutlich über dem oben angegebenen Schwellwert der Temperatur liegt. Die Temperaturerhöhung der Membran kann nun dadurch detektiert werden, indem die aufgrund der Erwärmung der Membran infolge des Verbrennungs- Vorgangs sinkende PWM-Rate der Erwärmungseinrichtung ausge¬ wertet wird.
Gemäß der dritten Ausführungsform der Vorrichtung beziehungsweise Verfahrens wird von der Auswerteeinrichtung in den Pumppausen während der ersten Zeitdauer der aufeinanderfolgenden Zeitzyklen eine Impedanz zwischen der ersten und zweiten Elektrode ermittelt. Dabei wird sich zu Nutze gemacht, dass die Impedanz der Membran temperaturabhängig ist.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Figuren, die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung zeigen, näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine erste Ausführungsform einer Vorrichtung zum
Ermitteln eines Maßes für einen Brennwert eines Gases,
Figur 2 eine zweite Ausführungsform einer Vorrichtung zum
Ermitteln eines Maßes für einen Brennwert eines Gases,
Figur 3 eine dritte Ausführungsform einer Vorrichtung zum
Ermitteln eines Maßes für einen Brennwert eines Gases,
Figur 4 eine vierte Ausführungsform einer Vorrichtung zum
Ermitteln eines Maßes für einen Brennwert eines Gases,
Figur 5 eine fünfte Ausführungsform einer Vorrichtung zum
Ermitteln eines Maßes für einen Brennwert eines Gases,
Figur 6 eine sechste Ausführungsform einer Vorrichtung zum
Ermitteln eines Maßes für einen Brennwert eines Gases,
Figur 7 eine siebte Ausführungsform einer Vorrichtung zum
Ermitteln eines Maßes für einen Brennwert eines Gases.
Die Figuren 1 bis 7 zeigen unterschiedliche Ausführungsformen einer Vorrichtung zum Ermitteln eines Maßes für einen Brennwert eines Gases G, das brennbare Anteile aufweist. Bei sämtlichen Ausführungsformen weist die Vorrichtung eine Membran 10, eine Erwärmungseinrichtung 20, eine erste Elektrode 30, eine zweite Elektrode 40, eine steuerbare Spannungs-/Stromquelle 50 sowie eine Auswerteeinrichtung 60 und eine Steuereinrichtung 70 zur Steuerung der steuerbaren Spannungs-/Stromquelle 50 auf. Zu¬ nächst werden die gemeinsamen Komponenten der unterschiedlichen Ausführungsformen der Vorrichtung zum Ermitteln eines Maßes für den Brennwert eines Gases angegeben. Anschließend wird auf Besonderheiten der jeweiligen Ausführungsformen der Vorrichtung eingegangen .
Bei den Ausführungsformen 1 bis 7 der Vorrichtung zum Ermitteln eines Brennwertes eines Gases kann die Membran 10 beispielsweise ein Material aus einer Yttrium dotierten Keramik umfassen. Die Membran 10 kann derart ausgebildet sein, dass sie bei Erwärmung über einen Schwellwert einer Temperatur zum Transport von Sauerstoff, insbesondere von Sauerstoff-Ionen, geeignet ist. Die Erwärmungseinrichtung 20 kann zum Erwärmen der Membran, insbesondere zum Erwärmen der Membran auf den Schwellwert der Temperatur, bei dem die Membran für Sauerstoff durchlässig wird, ausgebildet sein. Die erste und zweite Elektrode 30, 40 können porös aus einem Material aus Platin ausgestaltet sein. Die erste Elektrode 30 kann auf einer ersten Seite 11 der Membran 10, die in einer ersten Umgebung Ul des Gases G, für dessen Brennwert ein Maß bestimmt werden soll, angeordnet sein. Die zweite Elektrode 40 kann auf einer zweiten von der ersten Seite verschiedenen Seite 12 der Membran 10 angeordnet sein. Die zweite Elektrode 40 und somit die zweite Seite 12 der Membran 10 kann in einer zweiten Umgebung U2, die ein von dem Gas G verschiedenes sauerstoff¬ haltiges Referenzgas RG enthält, angeordnet sein.
Die steuerbare Spannungs-/Stromquelle 50 ist zum Erzeugen einer Steuerspannung/eines Steuerstroms zwischen der ersten und zwei¬ ten Elektrode 30, 40 zur Steuerung des Transports des Sauerstoffs durch die Membran 10 ausgebildet. Die steuerbare Span- nungs-/Stromquelle 50 ist insbesondere dazu ausgebildet, die Steuerspannung/den Steuerstrom derart zu erzeugen, dass in Abhängigkeit von einem Pegel der Steuerspannung/des Steuerstroms eine derartige Menge an Sauerstoff durch die Membran 10 transportiert wird, dass die brennbaren Anteile des Gases G verbrennen, wenn die erste Elektrode 30 in der ersten das Gas G umfassenden Umgebung Ul und die zweite Elektrode 40 in der zweiten das Referenzgas RG mit dem Sauerstoff umfassenden Umgebung U2 angeordnet ist.
Die Steuereinrichtung 70 steuert die steuerbare Span- nungs-/Stromquelle 50 in aufeinanderfolgenden Zeitzyklen derart an, dass während einer ersten Zeitdauer jedes der Zeitzyklen keine Steuerspannung/kein Steuerstrom von der steuerbaren Spannungs-/ Stromquelle 50 erzeugt wird und während einer sich an die erste Zeitdauer anschließenden zweiten Zeitdauer jedes der Zeitzyklen die Steuerspannung/der Steuerstrom mit einem Pegel erzeugt wird. Der Pegel der Steuerspannung/des Steuerstroms ist dabei derart gewählt, das ausreichend Sauerstoff von dem Re¬ ferenzgas RG durch die Membran zu der ersten Elektrode 30 transportiert wird und in der Umgebung Ul zusammen mit den brennbaren Bestandteilen des Gases G verbrennt, wenn die erste Elektrode 30 in der Umgebung Ul des Gases und die zweite Elektrode 40 in der Umgebung U2 des sauerstoffhaltigen Referenzgas RG angeordnet ist. Die Auswerteeinrichtung 60 ist zum Ermitteln des Maßes des
Brennwertes des Gases G ausgebildet. Gemäß den in den Figuren 1 und 2 gezeigten Ausführungsformen 1 und 2 der Vorrichtung zum Ermitteln des Maßes des Brennwertes des Gases ist die Auswerte¬ einrichtung 60 dazu ausgebildet, das Maß für den Brennwert des Gases G in Abhängigkeit von der erzeugten Steuerspannung beziehungsweise des erzeugten Steuerstroms zu ermitteln. Gemäß den in den Figuren 3 und 4 gezeigten Ausführungsformen 3 und 4 der Vorrichtung zum Ermitteln des Maßes des Brennwertes des Gases ist die Auswerteeinrichtung 60 dazu ausgebildet, das Maß für den Brennwert des Gases G in Abhängigkeit von einem Pegel der
Temperatur der Membran 10 zu ermitteln. Bei den in den Figuren 5, 6 und 7 gezeigten Ausführungsformen 5, 6 und 7 der Vorrichtung zum Ermitteln des Maßes des Brennwertes des Gases ist die Auswerteeinrichtung 60 dazu ausgebildet, in Abhängigkeit von einer Impedanz der Membran 10 das Maß für den Brennwert des Gases G zu ermitteln. Die erste Elektrode 30 ist in der Umgebung Ul des Gases G angeordnet, für dessen Brennwert mit der Vorrichtung ein Maß zu ermitteln ist. Die zweite Elektrode 40 ist in der Umgebung U2, die das sauerstoffhaltige Referenzgas RG enthält, angeordnet. Die Membran 10 kann derart ausgestaltet sein, dass die Vor¬ richtung um die zweite Elektrode 40 herum einen Kanal RK mit einer Eintrittsöffnung ERK zum Einströmen des Referenzgases RG in den Kanal und somit zur zweiten Elektrode 40 aufweist. Der Kanal RK ist seinerseits derart geformt, dass das Referenzgas RG der zweiten Elektrode 40 über den Kanal RK zugeführt wird. An der Eintrittsöffnung ERK des Kanals RK kann eine Diffusionsbarriere 130 vorgesehen sein, über den das Referenzgas RG in den Kanal RK einströmt und somit zu der zweiten Elektrode 40 gelangt. Bei sämtlichen der gezeigten Ausführungsformen 1 bis 7 der
Vorrichtung zum Ermitteln des Brennwertes eines Gases kann die Anordnung aus der Membran 10, der Erwärmungseinrichtung 20 und der ersten und zweiten Elektrode 30, 40 Teil einer Lambdasonde 1000 sein. Bei den Ausführungsformen 1, 3 und 5 sind die Membran 10, die Erwärmungseinrichtung 20 und die erste und zweite
Elektrode 30, 40 als Teil einer Sprungsonde 1100 ausgestaltet.
Bei den Ausführungsformen 2, 4, 6 und 7 der Vorrichtung zum Ermitteln eines Brennwert eines Gases sind die Membran 10, die Erwärmungseinrichtung 20 und die erste und zweite Elektrode 30, 40 als Teil einer Breitbandsonde 1200 ausgestaltet. Die
Breitbandsonde 1100 umfasst eine Nernstzelle 1210 und eine Pump¬ zelle 1220 und. Die Nernstzelle 1210 umfasst die Membran 10 sowie die erste und zweite Elektrode 30, 40. Die Pumpzelle 1200 kann eine dritte Elektrode 110 und eine vierte Elektrode 120 auf¬ weisen. Die Membran ist zwischen der Nernstzelle 1210 und der Pumpzelle 1220 derart geformt, dass ein Kanal MG mit einer Ein¬ trittsöffnung EMG zum Einströmen des Gases G in den Kanal MG gebildet wird.
An der Eintrittsöffnung EMG des Kanals MK kann eine Diffusionsbarriere 140 angeordnet sein, durch die das Gas G in den Kanal MK einströmt. Da der Kanal MK an dem membranseitigen Ende angeschlossen ist und da an der Eintrittsöffnung EMG die Diffusionssperre 140 vorgesehen ist, bildet der Kanal MK bei den Ausführungsformen 2, 4, 6 und 7 eine Messkammer, in die der Sauerstoff über die Nernstzelle 1210 gepumpt wird. Der Ver¬ brennungsvorgang des Sauerstoffs und der brennbaren Bestandteile des Gases G verläuft an der ersten Elektrode 30 innerhalb der Messkammer MK. Durch das Vorsehen der Diffusionsbarriere 130 an der Eintrittsöffnung ERK des Kanals RK kann sichergestellt werden, dass bei einem Bruch der Membran 10 kein Sauerstoff von der sauerstoffhaltigen Umgebung des Referenzgases unkontrolliert in die Messkammer MK eindringen kann.
Bei den in den Figuren 1 und 2 gezeigten Vorrichtungen 1 und 2 ist die steuerbare Spannungs-/Stromquelle 50 mit der ersten und zweiten Elektrode 30, 40 verbunden, um die Steuerspannung/den Steuerstrom zwischen die erste und zweite Elektrode 30, 40 anzulegen. Des Weiteren weist die Vorrichtung 1 und 2 eine Spannungsmesseinrichtung 80 auf, die ebenfalls mit der ersten und zweiten Elektrode 30, 40 verbunden ist. Die Spannungsmesseinrichtung 80 ist dazu ausgebildet, den zwischen der ersten und zweiten Elektrode 30, 40 anliegenden Spannungspegel während der ersten Zeitdauer jedes der Zeitzyklen zu ermitteln. Die Steuereinrichtung 70 ist bei den Ausführungsformen 1 und 2 der Vor- richtung dazu ausgebildet, die steuerbare Span- nungs-/Stromquelle 50 derart anzusteuern, dass die steuerbare Spannungs-/ Stromquelle 50 den Pegel der Steuerspannung/des Steuerstroms während der zweiten Zeitdauer jedes der Zeitzyklen in Abhängigkeit von dem während der ersten Zeitdauer jedes der Zeitzyklen ermittelten Spannungspegel erzeugt.
Die Ausführungsformen 1 und 2 der Vorrichtung zum Ermitteln eines Maßes für ein Brennwert eines Gases unterscheiden sich dadurch, dass bei der Ausführungsform 1 die Membran 10, die Erwärmung- einrichtung 20 sowie die erste und zweite Elektrode 30, 40 als Teil einer Sprungsonde ausgebildet sind, während bei der Ausführungsform 2 die Membran 10, die Erwärmungseinrichtung 20 sowie die erste und zweite Elektrode 30, 40 als Teil einer linearen Lambdasonde beziehungsweise Breitbandsonde ausgebildet sind. Bei der Ausführungsform 2 kann die Pumpzelle 1220 un- beschaltet bleiben.
Um ein Maß für einen Brennwert des Gases G mittels der Vorrichtung gemäß den Ausführungsformen 1 und 2 zu ermitteln, wird die Vorrichtung derart angeordnet, dass die erste Elektrode 30 mit dem Gas G in Kontakt steht und die zweite Elektrode 40 von dem sauerstoffhaltigen Referenzgas RG umströmt wird. Die Steuer¬ einrichtung 70 steuert die steuerbare Spannungs-/Stromquelle 50 derart an, dass eine Steuerspannung/ein Steuerstrom zwischen der ersten und zweiten Elektrode 30, 40 mit einem Pegel anliegt, so dass eine solche Menge an Sauerstoff von der zweiten Umgebung U2 durch die Membran 10 zu der ersten Umgebung Ul transportiert wird, so dass der Sauerstoff im Bereich um die erste Elektrode 30 zusammen mit den brennbaren Bestandteilen des Gases G verbrennt.
Während der ersten Zeitdauer jedes der Zeitzyklen der Messung wird von der steuerbare Spannungs-/Stromquelle 50 keine Steuer¬ spannung/kein Steuerstrom zwischen der ersten und zweiten Elektrode 30, 40 angelegt. Während der ersten Zeitdauer wird stattdessen mittels der Spannungsmesseinrichtung 80 der Spannungspegel zwischen der ersten und zweiten Elektrode 30, 40 gemessen. Während der sich an die erste Zeitdauer anschließenden zweiten Zeitdauer jedes der Zeitzyklen der Messung steuert die Steuereinrichtung 70 die steuerbare Spannungs-/Stromquelle 50 derart an, dass die Steuerspannung/der Steuerstrom in Abhängigkeit von dem zwischen der ersten und zweiten Elektrode 30, 40 zuvor gemessenen Spannungspegel erzeugt wird. Der Pegel der
Steuerspannung/des Steuerstroms kann beispielsweise während je¬ der zweiten Zeitdauer der Messzeit zyklen derart erzeugt werden, dass der während der ersten Zeitdauer der Messzeit zyklen gemessene Spannungspegel zwischen der ersten und zweiten Elektrode 30, 40 einen Spannungspegel von ungefähr 450 mV annimmt. Der Pegel der so geregelten Steuerspannung beziehungsweise des so ge
ll regelten Steuerstroms wird von der Auswerteeinrichtung 60 ausgewertet und ist ein Maß für den Brennwert des Gases G.
Bei den in den Figuren 3 und 4 gezeigten Vorrichtungen 3 und 4 zum Ermitteln eines Maßes für einen Brennwert des Gases G ist die steuerbare Spannungs-/Stromquelle 50 mit der ersten und zweiten Elektrode 30, 40 verbunden, um die Steuerspannung/den Steuerstrom zwischen der ersten und der zweiten Elektrode 30, 40 anzulegen. Die Steuerspannung/der Steuerstrom wird mit einem Pegel erzeugt, der ausreichend ist, um Sauerstoff aus der Re¬ ferenzgasumgebung U2 in das Messgas G zu pumpen und zusammen mit den brennbaren Bestandteilen des Gases G zu verbrennen. Die Steuerspannung kann beispielsweise einen Pegel zwischen 0,3 V und 2V aufweisen. Die Steuereinrichtung 70 ist zur Steuerung der Erwärmungseinrichtung 20 ausgebildet. Die Steuereinrichtung 70 ist insbesondere dazu ausgebildet, die Erwärmungseinrichtung 20 in aufeinanderfolgenden Heizperioden derart anzusteuern, dass die Erwärmungseinrichtung 20 während einer ersten Zeitdauer jeder Heizperiode deaktiviert und während einer sich daran anschließenden zweiten Zeitdauer jeder Heizperiode zum Erwärmen der Membran 10 aktiviert wird.
Die Erwärmungseinrichtung 20 kann beispielsweise als eine puls- weitenmodulierte Heizeinrichtung ausgestaltet sein, die in Abhängigkeit von einer von der Steuereinrichtung 70 vorgegebenen PWM-Rate während der ersten Zeitdauer jeder Heizperiode de¬ aktiviert und während der zweiten Zeitdauer jeder Heizperiode aktiviert wird. Die PWM-Rate, die somit das Verhältnis der Aus- und Einschalt zeit der Erwärmungseinrichtung 20 angibt wird in Abhängigkeit der Temperatur der Membran 10 von der Steuereinrichtung 70 vorgegeben.
Zum Ermitteln der Temperatur der Membran 10 ist eine Temperaturmesseinrichtung 90 vorgesehen. Die Temperaturmessein- richtung 90 kann mit der Steuereinrichtung 70 gekoppelt sein. Die Steuereinrichtung 70 ist dazu ausgebildet, das Verhältnis der ersten und zweiten Zeitdauer, das heißt der Aus- und Einschalt- Zeitdauer der Erwärmungseinrichtung, in Abhängigkeit von der von der Temperaturmesseinrichtung 90 ermittelten Temperatur der Membran 10 einzustellen. Wenn die Temperatur der Membran 10 beispielsweise unter der für den Sauerstoff-Ionentransport not- wendigen Schwellwerttemperatur liegt, wird die PWM-Rate beziehungsweise das Verhältnis der Ein-/Ausschaltzeit der Er¬ wärmungseinrichtung 20 erhöht. Wenn hingegen die Temperatur der Membran 10 deutlich über der für den Sauerstoff-Ionentransport notwendigen Schwellwerttemperatur liegt, wird die PWM-Rate beziehungsweise das Verhältnis der Ein-/Ausschaltzeit der
Erwärmungseinrichtung 20 erniedrigt. Die Auswerteeinrichtung 60 wertet das Verhältnis der ersten und zweiten Zeitdauer jeder Heizperiode beziehungsweise das Verhältnis der Aus-/Ein- schaltzeit der Erwärmungseinrichtung 20 aus und ermittelt in Abhängigkeit von diesem Verhältnis ein Maß für den Brennwert des Gases G.
Die Ausführungsformen 3 und 4 der Vorrichtung zum Ermitteln eines Maßes für den Brennwert eines Gases unterscheiden sich dadurch, dass bei der Ausführungsform 3 die Membran 10, die Erwärmungseinrichtung 20 sowie die erste und zweite Elektrode 30, 40 als Teil einer Sprungsonde ausgebildet sind, während bei der Ausführungsform 4 die Membran 10, die Erwärmungseinrichtung 20 sowie die erste und zweite Elektrode 30, 40 als Teil einer linearen Lambdasonde beziehungsweise Breitbandsonde ausgebildet sind. Bei der Ausführungsform 4 kann die Pumpzelle 1220 unbe- schaltet bleiben.
Bei den in den Figuren 5, 6 und 7 gezeigten Vorrichtungen 5, 6 und 7 zum Ermitteln eines Maßes für einen Brennwert des Gases G ist die steuerbare Spannungs-/Stromquelle 50 mit der ersten und zweiten Elektrode 30, 40 verbunden, um die Steuerspannung/den Steuerstrom zwischen der ersten und der zweiten Elektrode 30, 40 anzulegen. Die Steuerspannung beziehungsweise der Steuerstrom wird mit einem Pegel erzeugt, der ausreichend ist, um Sauerstoff aus der Referenzgasumgebung U2 in das Messgas G zu pumpen und zusammen mit den brennbaren Bestandteilen des Gases G zu ver- brennen. Die Steuerspannung kann dazu beispielsweise mit einem Pegel zwischen 0,3 V und 2V erzeugt werden und an die erste und zweite Elektrode angelegt werden. Die Vorrichtungen 5, 6 und 7 weisen jeweils eine Messeinrichtung 100 zur Messung der Impedanz der Membran 10 auf.
Die Auswerteeinrichtung 60 ist dazu ausgebildet, während der ersten Zeitdauer jedes der Mess-Zeit zyklen die von der Messeinrichtung 100 gemessene Impedanz auszuwerten und in Abhängigkeit von der Auswertung das Maß für den Brennwert des Gases G zu ermitteln. Während dieser ersten Zeitdauer wird keine Steuerspannung/kein Steuerstrom zwischen die erste und zweite Elektrode angelegt. Das Anlegen der Steuerspannung/des Steu¬ erstroms zum Transport von Sauerstoff in das Gas G erfolgt während der der ersten Zeitdauer nachfolgenden zweiten Zeitdauer jedes der Mess zeit zyklen . Umgekehrt wird während der zweiten Zeitdauer jedes der Messzeit zyklen das Messen der Impedanz der Membran 10 unterbrochen. Da die Impedanz der Membran 10 temperaturabhängig ist, wird auch bei den Vorrichtungen die Temperatur der Membran 10 infolge der exothermen Reaktion als Maß für den Brennwert des Gases G herangezogen.
Die Ausführungsformen 5, 6 und 7 der Vorrichtung zum Ermitteln eines Maßes für den Brennwert des Gases G unterscheiden sich dadurch, dass bei der Ausführungsform 5 die Membran 10, die
Erwärmungseinrichtung 20 sowie die erste und zweite Elektrode 30, 40 als Teil einer Sprungsonde ausgebildet sind, während bei der Ausführungsform 6 und 7 die Membran 10, die Erwärmungseinrichtung 20 sowie die erste und zweite Elektrode 30, 40 als Teil einer linearen Lambdasonde beziehungsweise Breitbandsonde ausgebildet sind. Während bei den Ausführungsformen 5 und 6 die Messeinrichtung 100 zur Messung der Impedanz der Membran 10 zwischen die erste und zweite Elektrode geschaltet ist, wird bei der Aus¬ führungsform 7 der Vorrichtung zum Ermitteln eines Maßes für den Brennwert des Gases G die Pumpzelle 1220 zur Erfassung der
Impedanz der Membran verwendet. Bei der Ausführungsform 7 ist die Messeinrichtung 100 zur Messung der Impedanz der Membran zwischen die dritte Elektrode 110 und die vierte Elektrode 120 geschaltet, während sie bei den Ausführungsformen 5 und 6 zwischen die erste und zweite Elektrode 30, 40 geschaltet ist.

Claims

Patentansprüche
Vorrichtung zum Ermitteln eines Maßes für einen Brennwert eines Gases, umfassend:
eine Membran (10), die über einem Schwellwert einer Temperatur zum Transport von Sauerstoff ausgebildet ist, eine Erwärmungseinrichtung (20) zum Erwärmen der Membran
(10) ,
eine erste Elektrode (30), die auf einer ersten Seite
(11) der Membran (10) angeordnet ist,
eine zweite Elektrode (40) , die auf einer zweiten von der ersten Seite verschiedenen Seite (12) der Membran (10) angeordnet ist,
eine steuerbare Spannungs-/Stromquelle (50) zum Er¬ zeugen einer Steuerspannung/eines Steuerstroms zwischen der ersten und zweiten Elektrode (30, 40) zur Steuerung des Transports des Sauerstoffs durch die Membran (10), eine Auswerteeinrichtung (60) zum Ermitteln des Maßes des Brennwertes des Gases (G) , das brennbare Anteile aufweist ,
wobei die steuerbare Spannungs-/Stromquelle (50) dazu ausgebildet ist, die Steuerspannung/den Steuerstrom derart zu erzeugen, dass in Abhängigkeit von einem Pegel der Steuerspannung/des Steuerstroms eine derartige Menge an Sauerstoff durch die Membran (10) transportiert wird, dass die brennbaren Bestandteile des Gases ver¬ brennen, wenn die erste Elektrode (30) in einer ersten Umgebung (Ul), die das Gas (G) enthält, und die zweite Elektrode (40) in einer zweiten Umgebung (U2), die ein von dem Gas (G) verschiedenes Referenzgas (RG) mit dem Sauerstoff enthält, angeordnet ist,
wobei die Auswerteeinrichtung (60) dazu ausgebildet ist, das Maß für den Brennwert des Gases (G) in Abhängigkeit von der erzeugten Steuerspannung/des erzeugten Steuerstroms oder in Abhängigkeit von einem Pegel der Temperatur der Membran (10) oder in Abhängigkeit von einer Impedanz der Membran (10) zu ermitteln. Vorrichtung nach Anspruch 1, umfassend:
eine Steuereinrichtung (70) zur Steuerung der steuerbaren Spannungs-/Stromquelle (50),
wobei die Steuereinrichtung (70) die steuerbare
Spannungs-/Stromquelle (50) in aufeinanderfolgenden Zeitzyklen derart steuert, dass während einer ersten Zeitdauer jedes der Zeitzyklen keine Steuerspannung/kein Steuerstrom erzeugt wird und während einer sich an die erste Zeitdauer anschließenden zweiten Zeitdauer jedes der Zeitzyklen die Steuerspannung/der Steuerstrom mit dem Pegel erzeugt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 2, umfassend:
eine Spannungsmesseinrichtung (80), die dazu ausgebildet ist, den zwischen der ersten und zweiten Elektrode
(30, 40) anliegenden Spannungspegel während der ersten Zeitdauer jedes der Zeitzyklen zu ermitteln,
wobei die Steuereinrichtung (70) dazu ausgebildet ist, die steuerbare Spannungs-/Stromquelle (50) derart anzusteuern, dass die steuerbare Spannungs-/Stromquelle
(50) den Pegel der Steuerspannung/des Steuerstroms während der zweiten Zeitdauer jedes der Zeitzyklen in Abhängigkeit von dem während der ersten Zeitdauer jedes der Zeitzyklen ermittelten Spannungspegel erzeugt.
Vorrichtung nach Anspruch 2, umfassend:
wobei die Steuereinrichtung (70) zur Steuerung der Erwärmungseinrichtung (20) ausgebildet ist,
wobei die Steuereinrichtung (70) dazu ausgebildet ist, die Erwärmungseinrichtung (20) in aufeinanderfolgenden Heizperioden derart anzusteuern, dass die Erwärmungs¬ einrichtung (20) während einer ersten Zeitdauer jeder Heizperiode deaktiviert und während einer sich daran anschließenden zweiten Zeitdauer jeder Heizperiode zum Erwärmen der Membran (10) aktiviert wird. Vorrichtung nach Anspruch 4, umfassend:
eine Temperaturmesseinrichtung (90) zum Ermitteln einer Temperatur der Membran (10),
wobei die Steuereinrichtung (70) dazu ausgebildet ist, das Verhältnis der ersten und zweiten Zeitdauer jeder Heizperiode in Abhängigkeit von der von der Tempera¬ turmesseinrichtung (90) ermittelten Temperatur der Membran (10) einzustellen.
Vorrichtung nach Anspruch 5
wobei die Auswerteeinrichtung (60) das Verhältnis der ersten und zweiten Zeitdauer jeder Heizperiode auswertet und in Abhängigkeit von dem Verhältnis das Maß für den Brennwert des Gases (G) ermittelt.
Vorrichtung nach Anspruch 2, umfassend:
eine Messeinrichtung (100) zur Messung der Impedanz der Membran (10),
wobei die Auswerteeinrichtung (60) dazu ausgebildet ist, während der ersten Zeitdauer jedes der Zeitzyklen die von der Messeinrichtung (100) gemessene Impedanz auszuwerten und in Abhängigkeit von der Auswertung das Maß für den Brennwert des Gases (G) zu ermitteln.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, umfassend: eine Lambdasonde (1000), die die Membran (10), die Er¬ wärmungseinrichtung (20) und die erste und zweite Elektrode (30, 40) enthält.
Vorrichtung nach Anspruch 8,
wobei die Lambdasonde (1000) als eine Sprungsonde (1100) oder als eine Breitbandsonde (1200) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9,
wobei die Lambdasonde (1000) als Breitbandsonde (1200), die eine Nernstzelle (1210) und eine Pumpzelle (1220) umfasst, ausgebildet ist, wobei Nernstzelle (1210) die Membran (10), die erste Elektrode (30) und die zweite Elektrode (40) umfasst, wobei die Pumpzelle (1220) eine dritte Elektrode (110) und eine vierte Elektrode (120) aufweist,
wobei die Messeinrichtung (100) zur Messung der Impedanz der Membran (10) zwischen der dritten und vierten Elektrode (110, 120) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10,
wobei die Lambdasonde (1000) einen Kanal (RK) mit einer Eintrittsöffnung (ERK) zum Einströmen des Referenzgases (RG) in den Kanal umfasst,
wobei die zweite Elektrode (40) in dem Kanal (RK) angeordnet ist,
wobei an der Eintrittsöffnung (ERK) des Kanals (RK) eine Diffusionsbarriere (130) zum Eintritt des Referenzgases (RG) in den Kanal (RK) angeordnet ist.
Verfahren zum Ermitteln eines Maßes für einen Brennwert eines Gases, umfassend:
Bereitstellen einer Vorrichtung (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7) zum Ermitteln eines Brennwertes eines Gases nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
Anordnen der Vorrichtung derart, dass die erste
Elektrode (30) in der ersten Umgebung (Ul) und die zweite Elektrode (40) in der zweiten Umgebung (U2) angeordnet ist ,
Anlegen der Steuerspannung/des Steuerstroms zwischen der ersten und zweiten Elektrode (30, 40) mit einem Pegel derart, dass eine derartige Menge an Sauerstoff von der zweien Umgebung (U2) durch die Membran (10) zu der ersten Umgebung (Ul) transportiert wird, so dass die brennbaren Anteile des Gases (G) verbrennen,
Verbrennen des Sauerstoffs in der ersten Umgebung (Ul) an der ersten Elektrode (30),
Ermitteln des Maßes für den Brennwert des Gases (G) durch Auswerten eines Pegels der Steuerspannung/des Steuer- Stroms oder durch Auswerten eines Pegels der Temperatur der Membran (10) oder durch Auswerten von einer Impedanz der Membran während des Brennvorgangs.
Verfahren nach Anspruch 12, umfassend:
Messen eines Pegels der Spannung zwischen der ersten und zweiten Elektrode (30, 40) und Regeln des Pegels der Steuerspannung/des Steuerstroms in Abhängigkeit von dem gemessenen Spannungspegel, wobei das Messen des Spannungs¬ pegels zwischen der ersten und zweiten Elektrode (30, 40) und das Regeln der Steuerspannung/des Steuerstroms in aufeinanderfolgenden Zeitzyklen derart erfolgen, dass während einer ersten Zeitdauer jedes der Zeitzyklen keine Steuerspannung/kein Steuerstrom zwischen die erste und zweite Elektrode angelegt wird und der Spannungspegel zwischen der ersten und zweiten Elektrode gemessen wird und während einer sich an die erste Zeitdauer anschließenden zweiten Zeitdauer jedes der Zeitzyklen die Steuerspannung/ der Steuerstrom in Abhängigkeit von dem zwischen der ersten und zweiten Elektrode (30, 40) gemessenen Spannungspegel erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 12 umfassend:
- Deaktivieren und Aktivieren der Erwärmungseinrichtung (20) in aufeinanderfolgenden Heizperioden derart, dass die Erwärmungseinrichtung (20) während einer ersten Zeitdauer jeder Heizperiode deaktiviert und während einer sich daran anschließenden zweiten Zeitdauer jeder Heizperiode zum Erwärmen der Membran (10) aktiviert wird,
Einstellen des Verhältnisses der ersten und zweiten Zeitdauer jeder Heizperiode in Abhängigkeit von dem ermittelten Pegel der Temperatur der Membran (10), Ermitteln des Maßes für den Brennwert des Gases (G) in Abhängigkeit von dem eingestellten Verhältnis der ersten und zweiten Zeitdauer jeder Heizperiode. Verfahren nach Anspruch 12, umfassend:
Deaktivieren und Aktivieren des Erzeugens der Steuerspannung/des Steuerstroms in aufeinanderfolgenden Zeit¬ zyklen derart, dass während einer ersten Zeitdauer jedes der Zeitzyklen keine Steuerspannung/kein Steuerstrom zwischen die erste und zweite Elektrode angelegt wird und die Im¬ pedanz der Membran (10) gemessen wird und während einer sich an die erste Zeitdauer anschließenden zweiten Zeitdauer jedes der Zeitzyklen die Steuerspannung/der Steuerstrom zwischen der ersten und zweiten Elektrode erzeugt wird und das Messen der Impedanz der Membran (10) unterbrochen wird.
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