DE10014995C1 - Elektrochemischer Meßfühler - Google Patents
Elektrochemischer MeßfühlerInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen elektrochemischen Meßfühler zur Bestimmung von Gaskomponenten und/oder Gaskonzentrationen in Gasgemischen mit einem Sensorelement (114), das mindestens eine signalbildende Elektrode mit einer Zuleitung (100) der signalbildenden Elektrode und mindestens ein elektrisches Element (102) aufweist, dessen elektrisches Potential sich vom elektrischen Potential der Zuleitung (100) der signalbildenden Elektrode unterscheidet. Die Zuleitung (100) der signalbildenden Elektrode ist zumindest bereichsweise von einer elektrisch leitenden Abschirmung (101) umgeben, so daß Fehlerströme, die aufgrund der Potentialdifferenz zwischen der Zuleitung (100) der signalbildenden Elektrode und dem elektrischen Element (102) auftreten, zumindest zum überwiegenden Teil zwischen dem elektrischen Element (102) und der Abschirmung (101) fließen.
Description
Die Erfindung geht aus von einem elektrochemischen Meßfühler
nach dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs.
Elektrochemische Meßfühler sind beispielsweise aus
Automotive Electronics Handbook (1994), Kapitel 6,
Wiedenmann et al., "Exhaust Gas Sensors" zum Einsatz in der
Abgasanalyse von Verbrennungsmotoren bekannt. Derartige
Meßfühler enthalten ein Sensorelement, das mindestens eine
signalbildende Elektrode aufweist, in der aufgrund der
sensitiven Eigenschaften des Sensorelements ein Strom
fließt, der zur Bestimmung der Konzentration mindestens
einer Abgaskomponente verwendet werden kann. Weiterhin weist
das Sensorelement mindestens ein elektrisches Element wie
zum Beispiel einen Heizer oder eine weitere Elektrode auf,
dessen Potential sich deutlich vom Potential der
signalbildenden Elektrode unterscheidet und das von einer
Zuleitung der signalbildenden Elektrode durch eine
Isolationsschicht oder einen Isolationskörper,
beispielsweise einer Festelektrolytschicht, getrennt ist.
Bei dem bekannten Meßfühler ist nachteilig, daß es bei einer
nicht ausreichenden Isolationswirkung der Isolationsschicht
oder des Isolationskörpers aufgrund der Potentialdifferenz
zwischen der signalbildenden Elektrode und dem elektrischen
Heizer zu einem Fehlerstrom in die Zuleitung der
signalbildenden Elektrode kommen kann, wodurch das Meßsignal
verfälscht wird.
Zur Vermeidung des Einflusses von Fehlerströmen in die
Zuleitung der signalbildenden Elektrode wurde in der DE-
Patentanmeldung 198 57 468.1 vorgeschlagen, eine
elektronenleitende Zwischenschicht zwischen dem Heizer und
der signalbildenden Elektrode vorzusehen. Hierbei trennt die
elektronenleitende Zwischenschicht den Heizer nicht
vollständig von der signalbildenden Elektrode, so daß der
Fehlerstrom nur teilweise über die elektronenleitende
Zwischenschicht abgeleitet werden kann. Außerdem können
Fehlerströme durch weitere elektrische Elemente auftreten,
die zur signalbildenden Elektrode ebenfalls eine nicht
vernachlässigbare Potentialdifferenz aufweisen und die
beispielsweise zwischen der elektronenleitenden
Zwischenschicht und der signalbildenden Elektrode angeordnet
sind.
Der erfindungsgemäße elektrochemische Meßfühler mit den
kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Ansprüche hat
gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, daß im
Meßfühler auftretende Fehlerströme durch eine Abschirmung
aufgenommen werden. Somit wird der in der Zuleitung der
signalbildenden Elektrode fließende Strom, mit dem die
Konzentration einer Abgaskomponente bestimmt wird, nicht
verfälscht, wodurch eine präzisere und gleichmäßigere
Funktion des Meßfühlers möglich ist.
Mit der durch die kennzeichnenden Merkmale des ersten und
zweiten unabhängigen Anspruchs beschriebenen Erfindung wird
erreicht, daß in oder auf dem Sensorelement in die Zuleitung
der signalbildenden Elektrode fließende Fehlerströme
verringert oder vermieden werden können, indem die
Fehlerströme zumindest zum überwiegenden Teil über die
Abschirmung abfließen.
Gemäß der durch die kennzeichnenden Merkmale des dritten
unabhängigen Anspruchs beschriebenen Erfindung wird
erreicht, daß Fehlerströme auf oder in einer
Kontaktiereinrichtung, welche die Zuleitung der
signalbildenden Elektrode über ein erstes Leiterelement und
das elektrische Element über ein zweites Leiterelement mit
mindestens einem aus dem Meßfühler herausführenden Kabel
elektrisch verbindet, zumindest zum überwiegenden Teil über
eine auf oder in der Kontaktiereinrichtung vorgesehene
Abschirmleiterbahn abfließen.
Durch die in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen sind
vorteilhafte Weiterbildungen des im Hauptanspruch
angegebenen Meßfühlers möglich.
Dadurch, daß die signalbildende Elektrode und die
Abschirmung auf zumindest ähnlichem Potential liegen, wird
zusätzlich erreicht, daß auch bei einer ansonsten
ungenügenden Isolation zwischen der signalbildenden
Elektrode und der Abschirmung keine oder nur geringe Ströme
zwischen der Abschirmung und der signalbildenden Elektrode
fließen können.
Liegt die Abschirmung auf einem zumindest nahezu konstanten
Potential, so ist ein möglicherweise auftretender geringer
Fehlerstrom in die Zuleitung der signalbildenden Elektrode
zumindest nahezu konstant und damit durch eine äußere
Beschaltung einfach zu korrigieren.
Ein zusätzlicher Vorteil ergibt sich, indem die Abschirmung
mit einer weiteren Elektrode kurzgeschlossen ist, die nicht
durch einen in ihr fließenden Strom an der
Konzentrationsbestimmung der Gaskomponente beteiligt ist und
deren Potential zumindest nahe am Potential der
signalbildenden Elektrode liegt. Dadurch wird erreicht, daß
eine Kontaktierung der Abschirmung im anschlußseitigen
Bereich des Sensorelements eingespart werden kann.
Dadurch, daß die Abschirmung eine Zuleitung der weiteren
Elektrode bildet, kann weiterhin der Druckschritt für die
Zuleitung der weiteren Elektrode eingespart werden.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnung und der
nachfolgenden Beschreibung erläutert. Es zeigen Fig. 1 eine
Ausführungsform eines Sensorelements nach dem Stand der
Technik in Explosionsdarstellung, Fig. 2 eine weitere
Ausführungsform des Sensorelements nach dem Stand der
Technik in Explosionsdarstellung, Fig. 3 einen Schnitt durch
ein erfindungsgemäßes Sensorelement senkrecht zu seiner
Längsachse im Zuleitungsbereich, Fig. 4 einen Schnitt durch
das erfindungsgemäße Sensorelement im anschlußseitigen
Bereich gemäß der Linie IV-IV in Fig. 5, Fig. 5 eine
Draufsicht auf das erfindungsgemäße Sensorelement im
anschlußseitigen Bereich, Fig. 6 eine perspektivische
Darstellung einer für ein Sensorelement vorgesehenen
Kontaktiervorrichtung und Fig. 7 einen Schnitt durch die
Kontaktiervorrichtung gemäß der Linie VII-VII in Fig. 6.
Die Fig. 1 zeigt ein dem Stand der Technik entsprechendes
Ausführungsbeispiel eines elektrochemischen Meßfühlers zur
Analyse von Gasen, das dem Fachmann unter dem Namen
Breitband-Lambdasonde bekannt ist. Der elektrochemische
Meßfühler enthält ein planares Sensorelement 10 mit einem
meßseitigen Bereich 20 und einem anschlußseitigen Bereich
21. Das Sensorelement 10 weist Heizerkontaktierflächen 25,
eine als Heizerfolie 26 bezeichnete Festelektrolytfolie,
eine Heizerisolationsschicht 27, einen Heizer 24 mit zwei
Heizerzuleitungen 28 und eine weitere
Heizerisolationsschicht 29 auf. Weiterhin enthält das
Sensorelement 10 eine als Referenzgaskanalfolie 30
bezeichnete weitere Festelektrolytfolie, in der ein
Referenzgaskanal 46 ausgebildet ist, der im anschlußseitigen
Bereich 21 über eine Öffnung mit der Luft als
Referenzgasatmosphäre in Verbindung steht, sowie eine als
Referenzelektrode 31 bezeichnete erste Elektrode mit einer
Referenzelektrodenzuleitung 32. Das Sensorelement 10 weist
ferner über der Referenzelektrode 31 und der
Referenzelektrodenzuleitung 32 eine als Meßfolie 33
bezeichnete weitere Festelektrolytfolie sowie eine als
Meßelektrode 34 bezeichnete zweite Elektrode mit einer
Meßelektrodenzuleitung 35 auf. Weiterhin weist das
Sensorelement eine Füllschicht 37 zur Ausbildung eines nicht
näher dargestellten Zwischenraumes zur Aufnahme der
Diffusionsbarriere 36, eine als Innenpumpelektrode 38
bezeichnete dritte Elektrode mit
Innenpumpelektrodenzuleitung 39, eine als Pumpfolie 40
bezeichnete weitere Festelektrolytfolie, eine als
Außenpumpelektrode 41 bezeichnete vierte Elektrode mit
Außenpumpelektrodenzuleitung 42 sowie eine
Außenpumpelektrodenabdeckung 43 auf. Im anschlußseitigen
Bereich 21 des Sensorelements 10 sind die Referenzelektrode
31, die Meßelektrode 34 und die Innenpumpelektrode 38 durch
Durchkontaktierungen 45 mit auf der Außenseite des
Sensorelements 10 befindlichen Elektrodenkontaktierflächen
44 elektrisch verbunden, wobei die Referenzelektrode 34 und
die Innenpumpelektrode 38 auf dieselbe Kontaktierfläche
geführt sind. Ebenso ist der Heizer 24 durch
Durchkontaktierungen zu den Heizerkontaktierflächen 25
geführt.
Die Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines
elektrochemischen Meßfühlers zur Analyse von Gasen nach dem
Stand der Technik, das dem Fachmann unter dem Namen NOx-
Sensor bekannt ist. Der elektrochemische Meßfühler enthält
ein planares Sensorelement 50 mit einem meßseitigen Bereich
51 und einem anschlußseitigen Bereich 52. Das Sensorelement
50 enthält eine als Sauerstoff-Außenpumpelektrode 60
bezeichnete erste Elektrode mit einer Zuleitung 61, eine als
Heizerfolie 62 bezeichnete Festelektrolytfolie, einen von
zwei Heizerisolationsschichten 63 umgebenen Heizer 64 mit
zwei Heizerzuleitungen 58 sowie Kontaktflächen 59 für die
Sauerstoff-Außenpumpelektrode 60 und den Heizer 64.
Weiterhin enthält das Sensorelement 50 eine als
Referenzgaskanalfolie 66 bezeichnete weitere
Festelektrolytfolie, in der ein Referenzgaskanal 65
ausgebildet ist, der im anschlußseitigen Bereich 52 über
eine Öffnung mit der Luft als Referenzgasatmosphäre in
Verbindung steht, sowie eine als Referenzelektrode 67
bezeichnete zweite Elektrode mit einer
Referenzelektrodenzuleitung 68 und eine als Meßfolie 69
bezeichnete weitere Festelektrolytfolie. Zwischen der
Meßfolie 69 und einer als Außenfolie 83 bezeichneten
weiteren Festelektrolytfolie sind im meßseitigen Bereich 51
des Sensorelements 50 zwischen einer ersten und einer
zweiten Diffusionsbarriere 74, 75 ein als Pumpkammer
bezeichneter erster Zwischenraum und zwischen der zweiten
Diffusionsbarriere 75 und der Zwischenschicht 76 ein als
Meßkammer bezeichneter zweiter Zwischenraum angeordnet. In
die in Fig. 2 nicht näher dargestellte Pumpkammer und
Meßkammer gelangt das Meßgas durch die zur Außenseite des
Sensorelements 50 führende Meßgasöffnung 82. Die Pumpkammer
grenzt an eine als erste und zweite Sauerstoff-Pumpelektrode
70, 77 bezeichnete dritte und vierte Elektrode, deren
Zuleitungen 71, 78 im anschlußseitigen Bereich 52
zusammengeführt und durch eine Durchkontaktierung 84 zu
einer der Kontaktierflächen 81 geführt sind. Die Meßkammer
grenzt an eine als NOx-Pumpelektrode 72 bezeichnete fünfte
Elektrode und an eine als dritte Sauerstoff-Pumpelektrode 79
bezeichnete sechste Elektrode, die getrennt über jeweils
eine Zuleitung 73, 80 und jeweils eine Durchkontaktierung 84
zu der jeweiligen Kontaktierfläche 81 geführt sind.
Die Fig. 3 zeigt als Ausführungsbeispiel der Erfindung eine
Zuleitung 100 einer signalbildenden Elektrode in einer
Grenzfläche 107 zwischen einer ersten und einer zweiten
Festelektrolytschicht 105, 106. Die Zuleitung 100 der
signalbildenden Elektrode ist zumindest weitestgehend von
einer elektrisch leitenden Abschirmung 101 umgeben. Die
Zuleitung 100 der signalbildenden Elektrode und die
Abschirmung 101 sind durch eine erste Isolationsschicht 103
getrennt und damit elektrisch isoliert. Eine zweite
Isolationsschicht 104 trennt die Abschirmung 101 von der sie
umgebenden ersten und zweiten Festelektrolytschicht 105,
106.
Aufgrund einer äußeren Beschaltung weist die Abschirmung 101
eine geringe oder gar keine Potentialdifferenz zur Zuleitung
100 der signalbildenden Elektrode auf. Die Abschirmung 101
nimmt die Fehlerströme auf, die durch eine genügend große
Potentialdifferenz zwischen der Zuleitung 100 der
signalbildenden Elektrode beziehungsweise der Abschirmung
101 und einem elektrischen Element 102 hervorgerufen werden,
wobei das elektrische Element 102 im vorliegenden
Ausführungsbeispiel der Heizer 24, 64 des Sensorelements 10,
50 ist.
Die Fig. 4 zeigt die Zuleitung 100 der signalbildenden
Elektrode im anschlußseitigen Bereich eines Sensorelements
114. Die Zuleitung 100 der signalbildenden Elektrode besteht
in diesem Ausführungsbeispiel aus einer Leiterbahn in der
Grenzfläche 107 zwischen der ersten und zweiten
Festelektrolytschicht 105, 106, aus einer weiteren
Leiterbahn im Bereich einer Durchkontaktierung 110 und aus
einer ersten, mit der Zuleitung 100 der signalbildenden
Elektrode verbundenen Kontaktfläche 111, die auf einer
Außenfläche des Sensorelements angeordnet ist. Im Bereich
der Durchkontaktierung 110 wird die Zuleitung 100 der
signalbildenden Elektrode von der Grenzfläche 107 durch die
erste Festelektrolytschicht 105 zu der ersten Kontaktfläche
111 geführt. Ebenso wird die Abschirmung 101 zu einer
zweiten Kontaktfläche 112 geführt. Die in Fig. 3
dargestellte Anordnung von Zuleitung 100 der signalbildenden
Elektrode, erster Isolationsschicht 103, Abschirmung 101 und
zweiter Isolationsschicht 104 wird auch im Bereich der
Durchkontaktierung 110 weitergeführt. Danach ist die
Zuleitung 100 der signalbildenden Elektrode im Bereich der
Durchkontaktierung 110 zumindest weitestgehend von der
Abschirmung 101 umgeben, wobei die Zuleitung 100 der
signalbildenden Elektrode und die Abschirmung 101 von einer
ersten Isolationsschicht 103 getrennt ist und die zweite
Isolationsschicht 104 die Abschirmung 101 von der ersten und
zweiten Festelektrolytschicht 105, 106 trennt. Die
Durchkontaktierung wird mit einem dem Fachmann bekannten
Verfahren in die erste Festelektrolytschicht 105
eingebracht.
Die Fig. 5 zeigt einen anschlußseitigen Abschnitt der
Großfläche der ersten Festelektrolytschicht 105, die zweite
Isolationsschicht 104, die zweite Kontaktfläche 112, die
erste Isolationsschicht 103 und die Kontaktfläche 111 in
Draufsicht. Weiterhin ist auf der Großfläche des
Isolationskörpers 105 eine mit dem elektrischen Element 102
durch eine Durchkontaktierung 110 elektrisch verbundene
dritte Kontaktfläche 113 aufgebracht. Die zweite
Kontaktfläche 112 ist derart auf der Außenfläche der ersten
Festelektrolytschicht 105 aufgebracht, daß Fehlerströme, die
aufgrund von Verunreinigungen auf der Außenfläche der ersten
Festelektrolytschicht 105 bei einer genügend großen
Potentialdifferenz zwischen der ersten Kontaktfläche 111 und
der dritten Kontaktfläche 113 fließen, von der zweiten
Kontaktfläche 112 aufgenommen werden, so daß die der
Bestimmung der Abgaskonzentration dienenden Ströme in der
Zuleitung 100 der signalbildenden Elektrode nicht durch
Fehlerströme verfälscht werden können.
Falls die Zuleitung 100 der signalbildenden Elektrode in der
Grenzfläche 107 zwischen einer ersten und einer zweiten
Festelektrolytschicht 105, 106 angeordnet ist, und die
Fehlerströme im wesentlichen in der Grenzfläche 107 fließen,
kann es auch ausreichen, daß die Abschirmung 101 die
Zuleitung 100 der signalbildenden Elektrode nur in der
Grenzfläche 107 zumindest nahezu vollständig umgibt.
Es ist denkbar, die Abschirmung 101 als durchgängige Schicht
oder als genügend engmaschiges Netz auszuführen. Weiterhin
ist eine Ausführung der Erfindung denkbar, in der die zweite
Isolationsschicht 104 weggelassen wird. Es ist ebenso
denkbar, daß anstelle mindestens einer Festelektrolytschicht
105, 106 ein anderer Isolationskörper vorgesehen ist.
Es ist weiterhin denkbar, daß auch die signalbildende
Elektrode zumindest bereichsweise mit einer Abschirmung
umgeben ist, sofern durch die Abschirmung 101 die
bestimmungsgemäße Funktion der signalbildenden Elektrode
nicht gestört ist. So könnte beispielsweise die Abschirmung
die signalbildende Elektrode gegenüber dem elektrischen
Element derart bereichsweise abschirmen, daß ein die
Funktion der Elektrode ermöglichender Kontakt der Elektrode
beispielsweise einer Festelektrolyschicht und/oder zu einem
Gasraum vorhanden ist.
Die Fig. 6 und Fig. 7 zeigen eine Kontaktiereinrichtung
120, die eine Verbindung zwischen den Kontaktflächen 111,
112, 113 des Sensorelements 114 und einem nicht näher
dargestellten, die Signale aus dem Meßfühler herausführenden
Kabel herstellt. Auf einem Träger 121 sind hierzu ein erstes
Leiterelement 122 für die signalbildende Elektrode, ein
zweites Leiterelement 123 für die Abschirmung und ein
drittes Leiterelement 124 für das elektrische Element
aufgebracht. Die Leiterelemente 122, 123, 124 sind
beispielsweise stabile Metallstreifen, die in geeigneter
Weise beispielsweise auf dem keramischen Träger 121
befestigt sind. Die Kontaktiereinrichtung 120 wird derart an
das Sensorelement 114 in Anlage gebracht, daß die
Leiterelemente 122, 123, 124 in elektrischem Kontakt mit den
jeweiligen Kontaktflächen 111, 112, 113 stehen. Im
kabelseitigen Bereich 130 werden die Leiterelemente in dem
Fachmann bekannter Weise beispielsweise durch Kabel aus dem
Meßfühler herausgeführt. Auf dem Träger 121 ist weiterhin
eine Abschirmleiterbahn 125 aufgebracht, die in Kontakt mit
dem zweiten Leiterelement 123 steht und das erste
Leiterelement 122 auf der Oberfläche des Trägers 121
vollständig umgibt. Hierdurch wird erreicht, daß
Fehlerströme, die beispielsweise durch Verunreinigungen auf
der Oberfläche des Trägers 121 aufgrund einer genügend
großen Potentialdifferenz zwischen dem ersten Leiterelement
122 und dem dritten Leiterelement 124 fließen, durch die
Abschirmleiterbahn 125 vollständig aufgenommen werden.
Durch die in Fig. 3 bis Fig. 7 dargestellten
Ausführungsbeispiele der Erfindung ist somit gewährleistet,
daß sowohl bei dem Sensorelement 114 als auch bei der
Kontaktiereinrichtung 120 die Zuleitung 100 der
signalbildenden Elektrode beziehungsweise das erste
Leiterelement 122 durchgängig so von einer Abschirmung 101
beziehungsweise einer Abschirmleiterbahn 125 umgeben ist,
daß nur geringe oder keine Fehlerströme zwischen dem
elektrischen Element 102 und der Zuleitung 100 der
signalbildenden Elektrode beziehungsweise dem ersten
Leiterelement 122 fließen können.
Es ist ebenso denkbar, die erfindungsgemäße Anordnung der
Abschirmung nur bereichsweise im Sensorelement 114 und/oder
in der Kontaktiereinrichtung 120 vorzusehen.
Es ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung
denkbar, in dem beim Sensorelement 114 nicht die Zuleitung
100 der signalbildenden Elektrode, sondern das elektrische
Element, beispielsweise der Heizer 24, 64 des Sensorelements
10, 50, von einer Abschirmung und bei der
Kontaktiereinrichtung 120 nicht das erste Leiterelement 122,
sondern das dritte Leiterelement von einer
Abschirmleiterbahn zumindest bereichsweise umgeben wird. Die
die erstgenannten Ausführungsbeispiele betreffenden, in
Fig. 3 bis Fig. 7 beschriebenen Maßnahmen können vom
Fachmann ohne weiteres auf dieses weitere
Ausführungsbeispiel übertragen werden.
Im Sinne der Erfindung ist unter einer signalbildenden
Elektrode jede Elektrode zu verstehen, deren Funktion durch
die Aufnahme von Fehlerströmen beeinträchtigt wird. Somit
ist unter einer signalbildenden Elektrode beispielsweise
auch eine Referenzelektrode zu verstehen, die aufgrund der
äußeren Beschaltung ein Referenzgas in einen internen
Referenzgasraum pumpt. Durch Fehlerströme in diese
Referenzelektrode beziehungsweise ihre Zuleitung wird die
Bepumpung des internen Referenzgasraums und damit die
Signalbildung im Sensorelement beeinträchtigt.
Bei den mit Fig. 1 und Fig. 2 beschriebenen Sonden werden
die Elektroden und der Heizer durch eine nicht näher
dargestellte äußere Beschaltung im Betrieb auf definierte
Potentiale gelegt. Aufgrund der bei der Breitband-
Lambdasonde (Fig. 1) üblichen äußeren Beschaltung tritt
beispielsweise zwischen dem Heizer 24 beziehungsweise den
Heizerzuleitungen 28 und der Zuleitung 42 der
signalbildenden Außenpumpelektrode 41 eine große
Potentialdifferenz auf. So liegt die Außenpumpelektrode 41
typischerweise auf einem Potential zwischen ungefähr 1,5 Volt
und 4 Volt, während eine der Heizerzuleitungen 28 auf
einem Potential von wechselweise 0 Volt und 13 Volt liegt.
Dagegen liegt die Innenpumpelektrode 34 typischerweise auf
einem Potential von ungefähr 2,5 Volt, wobei in der
Innenpumpelektrode 34 fließende Ströme keinen Einfluß auf
die Bestimmung der Meßgaskonzentration haben. Somit
entspricht die Außenpumpelektrodenzuleitung 42 der Zuleitung
100 der signalbildenden Elektrode. Die
Innenpumpelektrodenzuleitung 35 entspricht der Abschirmung
101 oder ist mit der Abschirmung 101 kurzgeschlossen, und
der Heizer 24 und die Heizerzuleitungen 28 dem elektrischen
Element 102. Wird die Breitband-Lambdasonde in der in Fig.
3 bis 5 beschriebenen Anordnung betrieben, so vermindern
sich die Fehlerströme in die Außenpumpelektrodenzuleitung 42
erheblich, da die Potentialdifferenz zwischen
Außenpumpelektrode 41 und Innenpumpelektrode 34 wesentlich
geringer ist als zwischen Außenpumpelektrode 41 und Heizer
24 beziehungsweise Heizerzuleitung 28. Da die
Innenpumpelektrode 34 weiterhin auf einem konstanten
Potential liegt, ist der noch verbleibende geringe
Fehlerstrom konstant und damit einfach zu korrigieren
beziehungsweise ändert sich höchsten mit dem veränderlichen
Potential der Außenpumpelektrode 41.
Aufgrund der üblichen äußeren Beschaltung des in Fig. 2
dargestellten NOx-Sensors liegt die signalbildende NOx-
Pumpelektrode 72 ebenso wie die dritte Sauerstoff-
Pumpelektrode 79 auf einem Potential von ungefähr 2,5 Volt,
wobei in der dritten Sauerstoff-Pumpelektrode 79 fließende
Ströme keinen Einfluß auf die Bestimmung der
Meßgaskonzentration haben. Die Referenzelektrode 67 liegt
auf einem Potential von ungefähr 3 Volt. Die erste und die
zweite Sauerstoff-Pumpelektrode 70, 77 sind kurzgeschlossen
und liegen auf einem Potential von etwa 2,3 Volt. Die
Sauerstoff-Außenpumpelektrode 60 liegt auf wechselnden
Potentialen zwischen 0 und 5 Volt. Eine der
Heizerzuleitungen 58 liegt auf einem Potential von
wechselweise 0 Volt und 13 Volt. Somit tritt zwischen der
signalbildenden NOx-Pumpelektrode 72 und dem Heizer 64
beziehungsweise den Heizerzuleitungen 58 ebenso wie zwischen
der NOx-Pumpelektrode 72 und der Sauerstoff-
Außenpumpelektrode 60 eine große Potentialdifferenz auf, die
zu Fehlerströmen in die Zuleitung der NOx-Pumpelektrode 73
führen kann. Eine solche Potentialdifferenz kann ebenso
zwischen der NOx-Pumpelektrode 72 und der Referenzelektrode
67 oder der NOx-Pumpelektrode 72 und der ersten bzw. zweiten
Sauerstoff-Pumpelektrode 70, 77 auftreten. Wird der NOx-
Sensor in der in Fig. 3 bis 5 beschriebenen Anordnung
betrieben, so entspricht die Zuleitung 100 der
signalbildenden Elektrode der Zuleitung der NOx-
Pumpelektrode 73 und das elektrische Element 102 dem Heizer
64 beziehungsweise der Heizerzuleitung 58, der ersten und
zweiten Sauerstoff-Pumpelektrode 70, 77 beziehungsweise
deren Zuleitungen 71, 78, der Sauerstoff-Außenelektrode 60
bzw. deren Zuleitung 61 oder der Referenzelektrode 67
beziehungsweise deren Zuleitung 68. Die Abschirmung 101
entspricht der Zuleitung der dritten Sauerstoff-
Pumpelektrode 80 oder ist mit der Zuleitung der dritten
Sauerstoff-Pumpelektrode 80 kurzgeschlossen. Da somit die
Zuleitung 100 der signalbildenden Elektrode und die
Abschirmung 101 auf demselben Potential liegen, werden
Fehlerströme vollständig von der Abschirmung 101
aufgenommen.
Claims (32)
1. Elektrochemischer Meßfühler zur Bestimmung von
Gaskomponenten und/oder Gaskonzentrationen in
Gasgemischen mit einem Sensorelement, das mindestens eine
signalbildende Elektrode mit einer Zuleitung und
mindestens ein elektrisches Element aufweist, dessen
elektrisches Potential sich vom elektrischen Potential
der signalbildenden Elektrode unterscheidet, dadurch
gekennzeichnet, daß die Zuleitung (100) der
signalbildenden Elektrode zumindest bereichsweise von
einer elektrisch leitenden Abschirmung (101) umgeben ist,
so daß Fehlerströme, die aufgrund der Potentialdifferenz
zwischen der Zuleitung (100) der signalbildenden
Elektrode und dem elektrischen Element (102) auftreten,
zumindest zum überwiegenden Teil zwischen dem
elektrischen Element (102) und der Abschirmung (101)
fließen.
2. Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Abschirmung (101) auf einem elektrischen Potential
liegt, das zumindest nahe am elektrischen Potential der
Zuleitung (100) der signalbildenden Elektrode liegt.
3. Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Abschirmung (101) auf einem zumindest nahezu
konstanten elektrischen Potential liegt.
4. Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Abschirmung (101) von der Zuleitung (100) der
signalbildenden Elektrode durch eine erste
Isolationsschicht (103) getrennt ist.
5. Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Abschirmung (101) mit einer weiteren Elektrode
kurzgeschlossen ist, deren elektrisches Potential
zumindest nahe am elektrischen Potential der Zuleitung
(100) der signalbildenden Elektrode liegt.
6. Meßfühler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß
die Abschirmung (101) eine Zuleitung der weiteren
Elektrode ist.
7. Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Zuleitung (100) der signalbildenden Elektrode und die
Abschirmung (101) zwischen einem Isolationskörper (105)
und einem weiteren Isolationskörper (106) angeordnet sind
und daß die Zuleitung (100) der signalbildenden Elektrode
von der Abschirmung (101) zumindest nahezu vollständig
allseitig umhüllt ist.
8. Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Zuleitung (100) der signalbildenden Elektrode auf der
Oberfläche eines Isolationskörpers (105) aufgebracht ist,
wobei die Oberfläche des Isolationskörpers (105)
ansonsten an einen Gasraum grenzt, und daß die ebenfalls
auf der Oberfläche des Isolationskörpers (105)
aufgebrachte Abschirmung (101) die Zuleitung (100) der
signalbildenden Elektrode in der Grenzfläche zwischen
Isolationskörper (105) und Gasraum zumindest nahezu
vollständig umgibt.
9. Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Zuleitung (100) der signalbildenden Elektrode in
einer Grenzfläche (107) zwischen zwei Isolationskörpern
(105, 106) aufgebracht ist, und daß die ebenfalls in der
Grenzfläche (107) aufgebrachte Abschirmung (101) die
Zuleitung (100) der signalbildenden Elektrode in der
Grenzfläche (107) zumindest nahezu vollständig umgibt.
10. Meßfühler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß
die Zuleitung (100) der signalbildenden Elektrode eine
Außenpumpelektrodenzuleitung (42), die weitere Elektrode
eine Innenpumpelektrode (38) und das elektrische Element
(102) eine Referenzelektrode (32) und/oder eine
Referenzelektrodenzuleitung (31) und/oder ein Heizer (24)
und/oder eine Heizerzuleitungen (28) in einem Breitband-
Lambdasensor ist.
11. Meßfühler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß
die Zuleitung (100) der signalbildenden Elektrode eine
Zuleitung einer NOx-Pumpelektrode (73), die weitere
Elektrode eine dritte Sauerstoff-Pumpelektrode (79) und
das elektrische Element (102) eine Sauerstoff-
Außenpumpelektrode (60) und/oder eine Referenzelektrode
(67) und/oder eine erste und/oder zweite Sauerstoff-
Pumpelektrode (70, 77) und/oder ein Heizer (64) und/oder
deren Zuleitungen (61, 68, 71, 78, 58) in einem NOx-
Sensor ist.
12. Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Abschirmung (101) als durchgehende Schicht ausgeführt
ist.
13. Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Abschirmung (101) als genügend engmaschiges Netz
ausgeführt ist.
14. Meßfühler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß
die Abschirmung (101) aus demselben Material wie die
weitere Elektrode gefertigt ist.
15. Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Abschirmung (101) von mindestens einem der an die
Abschirmung (101) grenzenden Isolationskörper (105, 106)
durch eine zweite Isolationsschicht (104) getrennt ist.
16. Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
auch die signalbildende Elektrode zumindest bereichsweise
von der Abschirmung (101) umgeben ist.
17. Elektrochemischer Meßfühler zur Bestimmung von
Gaskomponenten und/oder Gaskonzentrationen in
Gasgemischen mit einem Sensorelement, das mindestens eine
signalbildende Elektrode mit einer Zuleitung und
mindestens ein elektrisches Element aufweist, dessen
elektrisches Potential sich vom elektrischen Potential
der signalbildenden Elektrode unterscheidet, dadurch
gekennzeichnet, daß das elektrische Element zumindest
bereichsweise von einer elektrisch leitenden Abschirmung
umgeben ist, so daß Fehlerströme, die aufgrund der
Potentialdifferenz zwischen der Zuleitung der
signalbildenden Elektrode und dem elektrischen Element
auftreten, zumindest zum überwiegenden Teil zwischen dem
elektrischen Element und der Abschirmung fließen.
18. Meßfühler nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß
die Abschirmung auf einem elektrischen Potential liegt,
das zumindest nahe am elektrischen Potential der
Zuleitung der signalbildenden Elektrode liegt.
19. Meßfühler nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß
die Abschirmung auf einem zumindest nahezu konstanten
elektrischen Potential liegt.
20. Meßfühler nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß
die Abschirmung von dem elektrischen Element durch eine
erste Isolationsschicht getrennt ist.
21. Meßfühler nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß
die Abschirmung mit einer weiteren Elektrode
kurzgeschlossen ist, deren elektrisches Potential
zumindest nahe am elektrischen Potential der Zuleitung
der signalbildenden Elektrode liegt.
22. Meßfühler nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß
die Abschirmung eine Zuleitung der weiteren Elektrode
ist.
23. Meßfühler nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß
das elektrische Element und die Abschirmung zwischen
einem Isolationskörper und einem weiteren
Isolationskörper angeordnet sind und daß das elektrische
Element von der Abschirmung zumindest nahezu vollständig
allseitig umhüllt ist.
24. Meßfühler nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß
das elektrische Element auf der Oberfläche eines
Isolationskörpers aufgebracht ist, wobei die Oberfläche
des Isolationskörpers ansonsten an einen Gasraum grenzt,
und daß die ebenfalls auf der Oberfläche des
Isolationskörpers aufgebrachte Abschirmung das
elektrische Element in der Grenzfläche zwischen
Isolationskörper und Gasraum zumindest nahezu vollständig
umgibt.
25. Meßfühler nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß
das elektrische Element in einer Grenzfläche zwischen dem
Isolationskörper und einem weiteren Isolationskörper
aufgebracht ist, und daß die ebenfalls in der Grenzfläche
aufgebrachte Abschirmung das elektrische Element in der
Grenzfläche zumindest nahezu vollständig umgibt.
26. Meßfühler nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß
die Abschirmung als durchgehende Schicht ausgeführt ist.
27. Meßfühler nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß
die Abschirmung als genügend engmaschiges Netz ausgeführt
ist.
28. Meßfühler nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß
die Abschirmung aus demselben Material wie die weitere
Elektrode gefertigt ist.
29. Elektrochemischer Meßfühler zur Bestimmung von
Gaskomponenten und/oder Gaskonzentrationen in
Gasgemischen mit einem Sensorelement, das mindestens eine
signalbildende Elektrode mit einer Zuleitung und
mindestens ein elektrisches Element aufweist, dessen
elektrisches Potential sich vom elektrischen Potential
der signalbildenden Elektrode unterscheidet, und mit
einer Kontaktiereinrichtung, welche die signalbildende
Elektrode über ein erstes Leiterelement und das
elektrische Element über ein drittes Leiterelement mit
mindestens einem aus dem Meßfühler herausführenden Kabel
elektrisch verbindet, dadurch gekennzeichnet, daß das mit
der Zuleitung (100) der signalbildenden Elektrode
verbundene erste Leiterelement (122) zumindest
bereichsweise von einer elektrisch leitenden
Abschirmleiterbahn (125) umgeben ist, so daß
Fehlerströme, die aufgrund der Potentialdifferenz
zwischen dem ersten Leiterelement (122) und dem dritten
Leiterelement (124) auftreten, zumindest zum
überwiegenden Teil zwischen dem dritten Leiterelement
(124) und der Abschirmleiterbahn (125) fließen.
30. Meßfühler nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß
die Abschirmleiterbahn (125) auf einem elektrischen
Potential liegt, das zumindest nahe am elektrischen
Potential des ersten Leiterelements (122) liegt.
31. Meßfühler nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß
die Abschirmleiterbahn (125) auf einem zumindest nahezu
konstanten elektrischen Potential liegt.
32. Meßfühler nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß
die Abschirmleiterbahn (125) mit einem in Kontakt mit
der Abschirmung (101) stehenden zweiten Leiterelement
(123) kurzgeschlossen ist.
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