Funktionsweise Lambdasonde

Aufbau Lambdasonde

Grobe Funktionsweise der Messung mit Lambdasonde (Sprungsonde)

Eine Lambdasonde erzeugt eine Messspannung abhängig von dem Sauerstoffgehalt des Abgases (Messmedium). Diese Spannung beruht darauf, dass ein festes Elektrolyt (Zirkonelement) innerhalb der Sonde als Trennwand zwischen dem Abgas und der Raumluft angeordnet ist. Die Sondenheizung bringt dieses Elektrolyt auf eine Temperatur von ca. 500Grad Celsius. Bei dieser Temperatur wird das Elektrolyt elektrisch leitend. Der sogenannte partielle Sauerstoffdruck an der "Frischluftseite" der Trennwand veranlasst die Sauerstoffmoleküle dazu, in Richtung sauerstoffärmeres Gas zu wandern. Dabei kann der Sauerstoff nur ionisiert durch das Elektrolyt wandern und gibt dabei Elektronen an das leitende Elektrolyt ab. Diese sogenannte Ionenwanderung verursacht ein sprunghaften Anstieg der Sondenspannung.

Lambdasonde bei Wikipedia

Die Lambdasonde hat wegen ihres breiten Einsatzgebietes in der KFZ-Technik einen festen Stellenwert in der Umwelttechnik eingenommen. In der Motorelektronik wird der sogenannte"Sprung" in der Messspannung dazu benutzt, genau den Lambdawert "1.000" zu detektieren. Denn genau bei diesem Wert schnellt die Messspannung von ca. 0Volt auf ca. 1Volt (siehe Bild 2). Daher kommt auch der Name "Sprungsonde". Viele Hersteller von Holzheizungen nutzen diese Technik seit einigen Jahren in ihren Produkten, um den Abbrand zu optimieren. Leider stellt sich immer öfter heraus, dass dieser Einsatz auch Schwächen zeigt. Der Grund hierfür lässt sich erahnen, wenn man das Verhalten der Sprungsonde genau betrachtet:

Die untere waagerechte Achse gibt den Lambdawert (0,8 bis 2.0) an und die senkrechte Achse die dazugehörige Messspannung (0V bis ca. 0.9V).

Man erkennt den sehr gut messbaren Spannungssprung bei exakt Lambda=1.00. Dieses Verhalten nutzt man bei der Einspritztechnik von Benzinmotoren, um das Luft/Kraftstoffgemisch zu optimieren. Leider kann dieser Lambdawert bei den Holzheizungen nie erreicht werden. Hier ist der Lambdawert immer grösser als 1 (Luftüberschuss).

Bei einem Restsauerstoffwert von ca. 6% liegt der Lambdawert bei ca. 1,5. In der linken Kennlinie ist hierbei kaum eine Spannung abzulesen, geschweige denn, Rückschlüsse auf den Sauerstoffgehalt zu ziehen. Die Lösung für dieses Problem: Das Sondensignal muss drastisch verstärkt werden.

Auf der rechten Seite ist der rot eingekreiste Bereich stark vergrössert wiedergeben. Man sieht jetzt, dass die Messwerte im Bereich 0.01 bis 0.03 Volt liegen. Dieser Teil der Kennlinie ist stark temperaturabhängig und wird durch die Alterung der Sonde leicht verschoben.

Lediglich der Sprung bei Lambda = 1.000 bleibt genau an diesem Messpunkt!

Vorteile der Breitband-Lambdasonde(LSU4)

1. Problemstellung

Problematisch bei einem Einsatz einer Sprungsonde in Feuerungsanlagen ist, wie oben bereits erwähnt, die Nutzung eines Kennlinienbereiches, in der das Messsignal der Sonde sehr klein und temperaturabhängig ist. Ferner driftet das Messsignal mit zunehmendem Alter der Sonde und führt zu Messfehlern, die das Regelverhalten der nachgeschalteten Elektronik beeinträchtigt.

2. Lösungsansatz

Wünschenswert wäre es, wenn die Sonde immer im Bereich Lambda=1.000 arbeiten könnte. In diesem Fall würden sich Temperatur und Drift der Sonde kaum bemerkbar machen. Die Breitbandsonden verfügen hierfür über ein Zusatzelement: "die Pumpzelle". Diese elektrochemische Zelle hat die Fähigkeit, durch ein festes, beheiztes Elektrolyt Sauerstoffmoleküle zu transportieren. Hierfür wird das Elektrolyt mit einem elektrischen Strom beaufschlagt (mA-Bereich). Die Höhe und Richtung des Pump-Stromes bestimmt die Menge und Richtung des Sauerstofftransportes. Damit ist es möglich, den überschüssigen Sauerstoff in der Messzelle der Lambdasonde abzupumpen, sodass diese im Bereich Lambda=1.000 liegt. Als Messignal dient fortan nicht mehr die Messspannung der Sondenzelle, sondern die Stärke und Richtung des Pumpstromes. Fazit: Es wird der elektrische Aufwand gemessen, der betrieben werden muss, um den überschüssigen Sauerstoff aus der Messzelle zu transportieren. Bei geringem Sauerstoffgehalt ist der Pumpstrom klein und bei hohem Gehalt eben gross.

3. Realisierung

Um die in 2. genannten Bedingungen zu erfüllen, muss die Sondenelektronik in der Lage sein, den Lambdawert zu messen, entsprechend dieses Wertes den Pumpstrom so zu regeln, dass Lambda 1.000 in der Messzelle vorliegt und diesen Strom in einen kalibrierten Sauerstoffwert umzurechnen. Leider hat auch diese scheinbar einfache Aufgabe ihre Tücken:

  1. Die Pumpzelle ist stark temperaturabhängig
  2. Die Sonde verfügt über keine Temperatursonde zur Temperaturregelung
  3. Die Pumpzelle lässt sich fertigungstechnisch nicht präzise herstellen
  4. Das Innenleben der Breitbandsonde reagiert empfindlich auf große Temperaturschwankungen.
  5. Die Innentemperatur sollte lt. Datenblatt 750Grad Celsius erreichen und exakt stabil eingehalten werden.

1. und 2. wurden im Lambdacheck® dadurch gelöst, dass die sog. hochfrequenzabhängigen Parameter der Messzelle stark temperaturabhängig sind. Damit lässt sich auf die Innentemperatur der Zelle indirekt schliessen.

3. wurde dadurch gelöst, dass jede einzelne Sonde direkt am Lambdacheck® einer automatischen Kalibrierung unterzogen werden kann. Hierfür wird die Kennlinie der Sonde vermessen. Als Referenzwert für diese Kalibrierung ist lediglich der allgegenwärtige Sauerstoffgehalt der Frischluft (20.9%) erforderlich.

4. es wird in der Messelektronik sehr genau darauf geachtet, dass der Heizstrom so geregelt wird, dass keine unzulässigen Temperaturschwankungen auftreten können.

5. Während der automatischen Kalibrierung der Sonde mit dem Lambdacheck® werden die Parameter der Messzelle exakt über den Temperaturbereich von "kalt" bis ca. 900Grad vermessen. Ein der Messzelle zugrunde liegendes Temperaturverhalten lässt auf die optimale Temperatur im Innern der Sonde schliessen. Dieser Parameter dient dann im Betrieb des Lambdacheck® als genaue Referenzmarke zur exakten Einhaltung der Temperatur.

Kommt es in der Sonde alterungsbedingt zu einer Verschiebung der Kennlinie, so lässt sich durch Drücken der eingebauten Taste im Lambdacheck® eine automatische Kalibrierung der Sonde inkl. Messelektronik starten. Nach einigen Minuten ist dann der eingebaute Mikroprozessor auf die geänderten Sondendaten programmiert und diese werden zukünftig in die Berechnung des Restsauerstoffwertes einbezogen.