DE10112786A1

DE10112786A1 - In einer Abgasanlage einer Brennkraftmaschine einsetzbares Gasmeßelement

Info

Publication number: DE10112786A1
Application number: DE10112786A
Authority: DE
Inventors: Hiroo Imamura; Toshitaka Saito; Keigo Mizutani; Daisuke Makino
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2000-03-17
Filing date: 2001-03-16
Publication date: 2002-10-10
Also published as: US20020000376A1; US6554983B2

Abstract

Ein Zielgas wird aufeinanderfolgend in eine erste und eine zweite Kammer (11, 12), welche durch einen engen Kanal (120) verbunden sind, eingeleitet. Eine erste Überwachungszelle (5), die auf einer Fläche der ersten Kammer (11) vorgesehen ist, erzeugt eine eine Sauerstoffkonzentration in der ersten Kammer repräsentierende elektromotorische Kraft. Eine zweite Überwachungszelle (6), die auf einer Fläche der zweiten Kammer (12) vorgesehen ist, erzeugt eine eine Sauerstoffkonzentration in der zweiten Kammer repräsentierende elektromotorische Kraft. Eine an einer Pumpzelle (3) angelegte Spannung wird auf der Grundlage der aus der ersten und der zweiten Überwachungszelle (5, 6) erhaltenen elektromotorischen Kräfte gesteuert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Gasmeßelement, welches in der Lage ist, Abgas wie beispielsweise NO_x zu erfassen, und bevorzugt in einer Abgasanlage für eine Brennkraftmaschine eines Kraft fahrzeugs einsetzbar ist.

Schädliche Gase, die aus Brennkraftmaschinen von Kraftfahr zeugen ausgestoßen werden, verursachen Luftverschmutzung als eines der schwerwiegenden Probleme, denen die moderne Gesell schaft gegenwärtig gegenübersteht. Verschiedene Gesetze und Verordnungen fordern von Kraftfahrzeugherstellern, strenge Normen zur Unterstützung der Abgasreinigung zu erfüllen. Un ter solchen Umständen ist es bekannt, daß die Abgasreinigung durch direktes Erfassen der NO_x-Konzentration zur rückgekop pelten Steuerung der Verbrennung des Motors sowie zur Überwa chung des Katalysatorzustands auf der Grundlage des erfaßten NO_x-Werts wirkungsvoll durchgeführt werden kann.

Fig. 9 und 10 zeigen bekannte Gasmeßelemente.

Eine Pumpzelle 3 liegt einer ersten Kammer 11 gegenüber. Um Sauerstoff zwischen der ersten Kammer 11 und der Außenseite des Meßelements zu pumpen, wird eine Spannung an die Pumpzel le 3 angelegt. Eine Überwachungszelle 95 erfaßt die Konzen tration von Sauerstoff in der ersten Kammer 11. Die Pumpzelle 3 wird auf der Grundlage eines erfaßten Werts der Überwa chungszelle 95 rückgekoppelt gesteuert, um eine konstante Sauerstoffkonzentration aufrechtzuerhalten.

Eine Sensorzelle 2 liegt einer zweiten Kammer 12 gegenüber. Die Sensorzelle 2 mißt Sauerstoffionen, die aus NO_x in der zweiten Kammer 12 erzeugt wurden, und erzeugt ein eine NO_x- Konzentration repräsentierendes Sensorsignal (d. h. einen Sauerstoffionenstrom) auf der Grundlage der gemessenen Sauer stoffionen. Da die Sauerstoffkonzentration in der zweiten Kammer 12 konstant ist, ist eine Menge von Sauerstoffionen, die sich durch die Sensorzelle 2 bewegen, proportional zu der NO_x-Konzentration. Mit anderen Worten ausgedrückt ist der Sauerstoffionenstrom der Sensorzelle 2 proportional zu der NO_x-Konzentration.

Infolgedessen kann die NO_x-Konzentration unabhängig einer Än derung der Sauerstoffkonzentration in dem gemessenen Abgas genau gemessen werden.

In diesem Fall ist die Sensorzelle 2 aus einem Material her gestellt, welches in der Lage ist, NO_x in Sauerstoffionen und Stickstoffionen zu zerlegen, um die NO_x-Konzentration zu mes sen. Wenn jedoch die Sensorzelle 2 aus einem anderen Material hergestellt wird, wird die Sensorzelle 2 in der Lage sein, eine andere Gaskonzentration zu messen.

Die bekannten Gasmeßelemente haben jedoch die folgenden Pro bleme.

Die in der ersten Kammer vorgesehene Überwachungszelle kann die Sauerstoffkonzentration in der Nähe der in der zweiten Kammer vorgesehenen Sensorzelle nicht genau überwachen, d. h. es wird ein merklicher Unterschied zwischen der Sauerstoff konzentration der ersten Kammer und der der zweiten Kammer auftreten.

Die zweite Kammer steht mit der ersten Kammer über einen en gen Durchlaß (d. h. einen Diffusionswiderstandskanal) in Ver bindung. Das Vorhandensein eines solchen engen Durchlasses verzögert möglicherweise die Übertragung einer Sauerstoffkon zentrationsänderung zu der zweiten Kammer im Vergleich zu der Übertragung zu der ersten Kammer. Demgemäß wird dann, wenn die Überwachungszelle in der zweiten Kammer angeordnet ist, die Steuerung der ersten Kammer verzögert und das Ansprechen der Steuerung verschlechtert.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Gasmeß element mit hervorragendem Ansprechverhalten zu schaffen, welches in der Lage ist, eine bestimmte Gaskonzentration in einem gemessenen Gas unabhängig von einer nicht vorhersagba ren oder instabilen Verteilung der Sauerstoffgaskonzentration genau zu erfassen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Gasmeß element, gekennzeichnet durch:
eine erste und eine zweite Kammer, in welche ein zu mes sendes Zielgas eingeleitet wird;
einen ersten Diffusionswiderstandskanal, der die erste Kammer mit der Außenseite des Gasmeßelements verbindet;
einen zweiten Diffusionswiderstandskanal, der die erste Kammer mit der zweiten Kammer verbindet;
eine Pumpzelle, die auf einer die erste Kammer definie renden Fläche vorgesehen ist, zum Pumpen von Sauerstoff in Übereinstimmung mit einer angelegten Spannung;
eine Sensorzelle, die auf einer die zweite Kammer defi nierenden Fläche vorgesehen ist und auf das Anlegen einer vorbestimmten Spannung zum Erzeugen eines eine bestimmte Gas konzentration in dem Zielgas repräsentierenden Sensorstroms anspricht, wobei
eine erste Überwachungszelle auf einer die erste Kammer definierenden Fläche vorgesehen ist zum Erzeugen einer eine Sauerstoffkonzentration in der ersten Kammer repräsentieren den elektromotorischen Kraft;
eine zweite Überwachungszelle auf einer die zweite Kam mer definierenden Fläche vorgesehen ist zum Erzeugen einer eine Sauerstoffkonzentration in der zweiten Kammer repräsen tierenden elektromotorischen Kraft; und
die an die Pumpzelle angelegte Spannung auf der Grundla ge der aus der ersten und der zweiten Überwachungszelle er haltenen elektromotorischen Kräfte gesteuert wird.

Gemäß dem vorstehenden Gasmeßelement liegen die erste und die zweite Überwachungszelle der ersten bzw. der zweiten Kammer gegenüber. Die an die Pumpzelle angelegte Spannung wird auf der Grundlage der aus der ersten und der zweiten Überwa chungszelle erhaltenen elektromotorischen Kräfte gesteuert.

Das vorgenannte Gasmeßelement arbeitet auf die folgende Art und Weise.

Die erste Überwachungszelle liegt zwischen der ersten Kammer und der Referenzgaskammer. Die zweite Überwachungszelle liegt zwischen der zweiten Kammer und der Referenzgaskammer. Sowohl die erste als auch die zweite Überwachungszelle erzeugen eine elektromotorische Kraft in Antwort auf eine gemessene Sauer stoffkonzentration.

Wenn die Sauerstoffkonzentration in dem gemessenen Gas stabil ist, besteht kein wesentlicher Unterschied zwischen der Sau erstoffkonzentration in der ersten Kammer und der Sauerstoff konzentration in der zweiten Kammer. Infolgedessen ist die elektromotorische Kraft der ersten Überwachungszelle im we sentlichen identisch zu der der zweiten Überwachungszelle.

In diesem Fall wird die an die Pumpzelle angelegte Spannung auf der Grundlage der elektromotorischen Kraft der zweiten Überwachungszelle gesteuert, weil die zweite Überwachungszel le aufgrund ihrer positionalen Beziehung die Sauerstoffkon zentration in der Nähe der Sensorzelle genau überwachen kann.

Wenn sich die Sauerstoffkonzentration in dem gemessenen Gas stark ändert, wird die Änderung der Sauerstoffkonzentration zunächst zu der ersten Kammer übertragen, und dann mit einer größeren Verzögerung zu der zweiten Kammer übertragen. Mit anderen Worten ausgedrückt unterscheidet sich die elektromo torische Kraft der ersten Überwachungszelle ersichtlich von der der zweiten Überwachungszelle.

Wenn sich die Sauerstoffkonzentration in dem gemessenen Gas langsam erhöht, wird die elektromotorische Kraft der ersten Überwachungszelle kleiner als die der zweiten Überwachungs zelle. Andererseits wird dann, denn sich die Sauerstoffkon zentration in dem gemessen Gas langsam verringert, die elek tromotorische Kraft der ersten Überwachungszelle größer als die der zweiten Überwachungszelle. Dies ist auf die Zeitver zögerung zurückzuführen, die erforderlich ist, wenn das ge messene Gas durch den die erste Kammer mit der zweiten Kammer verbindenden Diffusionswiderstandskanal hindurchtritt.

In einem solchen Übergangszustand wird, um einen durch eine Verschlechterung im Ansprechverhalten verursachten ungünsti gen Einfluß zu unterdrücken, die an die Pumpzelle angelegte Spannung auf der Grundlage der elektromotorischen Kraft der ersten Überwachungszelle gesteuert, weil die erste Überwachungszelle die Änderung der in dem gemessenen Gas verursach ten Sauerstoffkonzentration schnell überwachen kann.

Wie vorstehend beschrieben wurde, wird erfindungsgemäß das erste Gasmeßelement bereitgestellt, welches ein hervorragen des Ansprechverhalten aufweist und in der Lage ist, eine be stimmte Gaskonzentration in einem gemessenen Gas unabhängig von einer unvorhersehbaren oder instabilen Verteilung der Sauerstoffgaskonzentration genau zu erfassen.

Die Sensorzelle, die Pumpzelle und die Überwachungszelle be stehen aus einem Paar von Elektroden, wobei jede Elektrode aus einem Material hergestellt ist, das unter Berücksichti gung der Position, an der die Zelle vorgesehen ist, individu ell ausgewählt wird.

Zum Beispiel weist die Sensorzelle eine der zweiten Sensor kammer gegenüberliegende Elektrode auf. Diese Elektrode muß eine Funktion zum Erzeugen von Sauerstoffionen aus dem be stimmten, zu erfassenden Gas haben.

Die Pumpzelle und die Monitorzelle weisen Elektroden auf, die der ersten und der zweiten Kammer gegenüberliegen. Bevorzugt sind diese Elektroden gegenüber dem bestimmten, zu erfassen den Gas inaktiv.

Mit dieser Anordnung kann die Zerlegung des bestimmten Gases in einem begrenzten Bereich auf der Sensorzelle bewirkt wer den, wodurch eine genaue Messung der bestimmten Gaskonzentra tion möglich wird.

In Übereinstimmung mit dem vorstehend beschriebenen Gasmeß element gemäß der Erfindung wird bevorzugt, daß die erste Überwachungszelle und die zweite Überwachungszelle parallel miteinander verbunden sind.

Hierdurch wird eine vereinfachte Schaltungsanordnung zum Er halten eines Mittelwerts der von der ersten und der zweiten Überwachungszelle erzeugten elektromotorischen Kraft bereit gestellt.

Alternativ wird die vorgenannte Aufgabe gelöst durch ein Gas meßelement, gekennzeichnet durch:
eine erste und eine zweite Kammer, in welche ein zu mes sendes Zielgas eingeleitet wird;
einen ersten Diffusionswiderstandskanal, der die erste Kammer mit der Außenseite des Gasmeßelements verbindet;
einen zweiten Diffusionswiderstandskanal, der die erste Kammer mit der zweiten Kammer verbindet;
eine Pumpzelle, die auf einer die erste Kammer definie renden Fläche vorgesehen ist, zum Pumpen von Sauerstoff in Übereinstimmung mit einer angelegten Spannung;
eine Sensorzelle, die auf einer die zweite Kammer defi nierenden Fläche vorgesehen ist und auf das Anlegen einer vorbestimmten Spannung zum Erzeugen eines eine bestimmte Gas konzentration in dem Zielgas repräsentierenden Sensorstroms anspricht, wobei
eine Überwachungszelle auf entweder einer die erste Kam mer definierenden Fläche oder einer die zweite Kammer defi nierenden Fläche vorgesehen ist; und
die an die Pumpzelle angelegte Spannung auf der Grundla ge eines bei Anlegen einer Spannung an die Überwachungszelle erhaltenen Begrenzerstroms gesteuert wird.

Die Überwachungszelle ist so angeordnet, daß sie als Sauer stoffkonzentrationssensor in Antwort auf das Anlegen einer Spannung arbeitet. Die Überwachungszelle erzeugt einen Aus gangsstrom, dessen Größe sich zwar grundlegend in Überein stimmung mit einer angelegten Spannung ändert, sich aber in einem bestimmten Spannungsbereich unabhängig von der Änderung der angelegten Spannung nicht ändert. Der konstante Ausgangs strom entsprechend dem bestimmten Spannungsbereich wird all gemein als Begrenzerstrom oder begrenzende Strom bezeichnet.

Wenn die Überwachungszelle der ersten Kammer gegenüberliegt, ist die Sauerstoffkonzentration aus dem Begrenzerstromwert der Überwachungszelle bekannt. Somit kann die Sauerstoffkon zentration in der zweiten Kammer durch Steuern der an die Pumpzelle angelegten Spannung auf der Grundlage des Begrenz erstromwerts der Überwachungszelle auf einen niedrigeren konstanten Wert eingestellt werden. Ferner wird ein zweistufiger Pumpvorgang stromauf der Sensorzelle durchgeführt. Das heißt, es werden ein Pumpvorgang an der Überwachungszelle und ein Pumpvorgang an der Pumpzelle in der ersten Kammer durchge führt. Dies ermöglicht es, die Sauerstoffkonzentrationsabhän gigkeit in der Erfassung der bestimmten Konzentration zu un terdrücken.

Ferner ist, da eine Spannung an die Überwachungszelle ange legt wird, die Überwachungszelle in der Lage, Sauerstoff in der/die erste(n) Kammer zu pumpen.

Daher wird dann, wenn sich die Sauerstoffkonzentration in dem gemessenen Gas innerhalb einer bestimmten Zeitdauer stark än dert, der Schwankung der Sauerstoffkonzentration durch die Pumpfunktion in der Überwachungszelle nachgefolgt bzw. diese aufgeholt und kein Problem aufgrund der Ansprechverzögerung verursacht.

Wenn die Überwachungszelle der zweiten Kammer gegenüberliegt, ist die Sauerstoffkonzentration in der zweiten Kammer aus dem Begrenzerstromwert der Überwachungszelle bekannt. Somit kann die Sauerstoffkonzentration in der zweiten Kammer durch Steu ern der an die Pumpzelle angelegten Spannung auf der Grundla ge des Begrenzerstromwerts der Überwachungszelle auf einen niedrigeren konstanten Wert eingestellt werden.

Da die Pumpzelle auf der Grundlage der Sauerstoffkonzentrati on in der Nähe der Sensorzelle gesteuert wird, wird es mög lich, die bestimmte Gaskonzentration genau zu erfassen, wenn die Sauerstoffkonzentration in einer bestimmten Zeitdauer stabil und eine räumliche Verteilung der Sauerstoffkonzentra tion vorhanden ist (d. h. wenn sich die Sauerstoffkonzentra tion in der ersten Kammer von der in der zweiten Kammer un terscheidet).

Ferner ist, da eine Spannung an die Überwachungszelle ange legt wird, die Überwachungszelle in der Lage, Sauerstoff in der/die zweite(n) Kammer zu pumpen.

Demgemäß ermöglicht es das vorstehende erfindungsgemäße Gas meßelement, die bestimmte Gaskonzentration unabhängig von der Änderung der Sauerstoffkonzentration in dem gemessenen Gas zu erfassen. Ferner wird in Übereinstimmung mit diesem erfin dungsgemäßen Gasmeßelement der gemessene Strom der Überwa chungszelle zur Steuerung der Pumpzelle herangezogen.

Dies erweist sich als wirksam zum Verringern eines durch ei nen Offsetstrom, der erhalten wird, wenn die bestimmte Gas konzentration 0 ist, verursachten Fehlers, wodurch eine hoch genaue Erfassung der bestimmten Gaskonzentration bzw. der Konzentration eines bestimmten Gases verwirklicht wird. Der Offsetstrom wird allgemein durch Restsauerstoff oder einen Leckstrom jeder Zelle verursacht.

Wie vorstehend beschrieben wurde, wird erfindungsgemäß das vorstehende alternative Gasmeßelement bereitgestellt, welches ein hervorragendes Ansprechverhalten aufweist und in der Lage ist, eine bestimmte Gaskonzentration in einem gemessenen Gas unabhängig von einer unvorhersehbaren oder instabilen Vertei lung der Sauerstoffgaskonzentration genau zu erfassen.

Falls eine zu hohe Spannung an die Pumpzelle angelegt wird, besteht die Möglichkeit, daß das bestimmte Gas auch in einem Fall zerlegt wird, in dem die Elektrode der Pumpzelle aus ei nem gegenüber dem bestimmten Gas inaktiven Material besteht.

In Anbetracht des Vorstehenden wird bevorzugt, einen Strom wert der Pumpzelle zu messen und die Sauerstoffkonzentration des gemessenen Gases zu messen, und den Begrenzerstromwert in Übereinstimmung mit dem gemessenen Wert einzustellen.

Weiter alternativ wird die vorgenannte Aufgabe gelöst durch ein Gasmeßelement, gekennzeichnet durch:
eine erste und eine zweite Kammer, in welche ein zu mes sendes Zielgas eingeleitet wird;
einen ersten Diffusionswiderstandskanal, der die erste Kammer mit der Außenseite des Gasmeßelements verbindet;
einen zweiten Diffusionswiderstandskanal, der die erste Kammer mit der zweiten Kammer verbindet;
eine Sensorzelle, die auf einer die zweite Kammer defi nierenden Fläche vorgesehen ist und auf das Anlegen einer vorbestimmten Spannung zum Erzeugen eines eine bestimmte Gas konzentration in dem Zielgas repräsentierenden Sensorstroms anspricht, wobei
eine erste Pumpzelle auf einer die erste Kammer definie renden Fläche vorgesehen ist, zum Pumpen von Sauerstoff in Übereinstimmung mit einer angelegten Spannung;
eine zweite Pumpzelle auf einer die zweite Kammer defi nierenden Fläche vorgesehen ist, zum Pumpen von Sauerstoff in Übereinstimmung mit einer angelegten Spannung;
ein Pumpstrom von zumindest der ersten oder zweiten Pumpzelle in Übereinstimmung mit dem Pumpen von Sauerstoff erzeugt wird; und
der Pumpstrom zum Steuern der an die erste oder zweite Pumpzelle angelegten Spannung verwendet wird.

Wie unter Bezugnahme auf Fig. 18 noch zu beschreiben ist, än dert sich der Pumpzellenstrom in einem vorbestimmten Span nungsbereich der angelegten Spannung nicht. Dieser konstante Stromwert, d. h. der Begrenzerstromwert, hängt von der Sauer stoffkonzentration ab.

Demgemäß kann die Sauerstoffkonzentration in jeder Kammer durch Einstellen der an die Pumpzelle angelegten Spannung in Übereinstimmung mit dem Pumpstrom auf einem konstanten Wert gehalten werden.

Ferner umfaßt das vorgenannte, weiter alternative erfindungs gemäße Gasmeßelement zwei Pumpzellen, welche einen Pumpvor gang individuell in jeweiligen Kammern durchführen. Infolgedessen tritt in jeder Kammer eine unerwünschte Verteilung der Sauerstoffkonzentration nicht auf.

Außerdem wird auch in einem Übergangszustand, in dem sich die Sauerstoffkonzentration stark ändert, die Antwort nicht so stark verzögert, weil der Pumpvorgang in jeder Kammer unab hängig durchgeführt wird.

Wie vorstehend beschrieben wurde, wird erfindungsgemäß das Gasmeßelement gemäß der vorgenannten weiteren Alternative be reitgestellt, welches ein hervorragendes Ansprechverhalten aufweist und in der Lage ist, eine bestimmte Gaskonzentration in einem gemessenen Gas unabhängig von einer unvorhersehbaren oder instabilen Verteilung der Sauerstoffgaskonzentration ge nau zu erfassen.

Ferner erfordert dieses vorgenannte erfindungsgemäße Gasmeß element keine Überwachungszelle. Infolgedessen können die An ordnung und der Steuerungsmechanismus eines Gassensors ver einfacht werden. Unterdessen ist es möglich, eine Überwa chungszelle wie in einem noch zu beschreibenden vierten Aus führungsbeispiel bereitzustellen.

Darüber hinaus alternativ wird die vorgenannte Aufgabe gelöst durch ein Gasmeßelement, gekennzeichnet durch:
eine erste und eine zweite Kammer, in welche ein zu mes sendes Zielgas eingeleitet wird;
einen ersten Diffusionswiderstandskanal, der die erste Kammer mit der Außenseite des Gasmeßelements verbindet;
einen zweiten Diffusionswiderstandskanal, der die erste Kammer mit der zweiten Kammer verbindet;
eine Sensorzelle, die auf einer die zweite Kammer defi nierenden Fläche vorgesehen ist und auf das Anlegen einer vorbestimmten Spannung zum Erzeugen eines eine bestimmte Gas konzentration in dem Zielgas repräsentierenden Sensorstroms anspricht, wobei
eine erste Pumpzelle auf einer die erste Kammer definie renden Fläche vorgesehen ist, zum Pumpen von Sauerstoff in Übereinstimmung mit einer angelegten Spannung;
eine zweite Pumpzelle auf einer die zweite Kammer defi nierenden Fläche vorgesehen ist, zum Pumpen von Sauerstoff in Übereinstimmung mit einer angelegten Spannung;
eine Überwachungszelle auf zumindest einer die erste Kammer definierenden Fläche oder einer die zweite Kammer de finierenden Fläche vorgesehen ist; und
die an zumindest die erste oder die zweite Pumpzelle an gelegte Spannung auf der Grundlage eines bei Anlegen einer Spannung an die Überwachungszelle erhaltenen Begrenzerstroms gesteuert wird.

In Übereinstimmung mit dem vorgenannten, darüber hinaus al ternativen erfindungsgemäßen Gasmeßelement kann die an die Pumpzelle angelegte Spannung auf der Grundlage des Begrenzer stroms gesteuert werden, der erhalten wird, wenn eine Span nung an die Überwachungszelle angelegt wird. Somit wird es wie bei dem erstgenannten alternativen (d. h. zweiten) Gas meßelement möglich, den durch einen Offsetstrom, der erhalten wird, wenn die bestimmte Gaskonzentration 0 ist, verursachten Fehler zu verringern, wodurch eine hochgenaue Erfassung der bestimmten Gaskonzentration verwirklicht wird.

Ferner beruht dieses erfindungsgemäße Gasmeßelement auf einer zweistufigen Steuerung der Sauerstoffkonzentration unter Ver wendung der ersten und der zweiten Pumpzelle. Infolgedessen wird wie bei dem vorgenannten weiter alternativen (d. h. dritten) Gasmeßelement die Antwort nicht so stark verzögert, weil der Pumpvorgang in jeder Kammer unabhängig durchgeführt wird.

Wie vorstehend beschrieben wurde, wird erfindungsgemäß das darüber hinaus weiter alternative Gasmeßelement bereitge stellt, welches ein hervorragendes Ansprechverhalten aufweist und in der Lage ist, eine bestimmte Gaskonzentration in einem gemessenen Gas unabhängig von einer unvorhersehbaren oder in stabilen Verteilung der Sauerstoffgaskonzentration genau zu erfassen.

In Übereinstimmung mit den vorstehend angegebenen Gasmeßele menten wird bevorzugt, daß jede Pumpzelle auf einer eine Referenzgaskammer definierenden Fläche vorgesehen ist.

Diese Anordnung wird vorzugsweise verwendet, wenn das erfin dungsgemäße Gasmeßelement eine bestimmte Gaskomponente er faßt, die in dem Abgas einer Brennkraftmaschine enthalten ist. Im Einzelnen wird dann, wenn das Luft/Kraftstoff-Ver hältnis auf die Anreicherungsseite verschoben ist, die Mes sung der bestimmten Gaskonzentration auf einfache Art und Weise durchgeführt.

Das erfindungsgemäße Gasmeßelement ist nicht nur auf einen NO_x-Sensor, sondern auch auf andere Arten von Gassensoren, wie beispielsweise einen CO-Sensor, einen H₂O-Sensor und ei nen SO_x-Sensor anwendbar.

Die Erfindung wird nachstehend anhand bevorzugter Ausfüh rungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher be schrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt, der ein Gasmeßelement gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel zeigt;

Fig. 2 eine perspektivische Explosionsansicht, die das Gas meßelement gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel zeigt;

Fig. 3 eine vertikale Schnittansicht, die einen Gassensor zeigt, in welchen das Gasmeßelement gemäß dem ersten Ausfüh rungsbeispiel integriert ist;

Fig. 4 ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen der NO_x- Konzentration und dem Sensorzellenstrom im Verhältnis zu der Sauerstoffkonzentration in Übereinstimmung mit dem ersten Ausführungsbeispiel sowie einem ersten bekannten Beispiel zeigt;

Fig. 5 ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen der NO_x- Konzentration und dem Sensorzellenstrom im Verhältnis zu der Sauerstoffkonzentration in Übereinstimmung mit dem ersten Ausführungsbeispiel sowie einem zweiten bekannten Beispiel zeigt;

Fig. 6 ein Diagramm, das eine zeitliche Änderung der Pumpzel lenspannung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel sowie gemäß dem ersten bekannten Beispiel zeigt;

Fig. 7 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der NO_x-Kon zentration und dem Sensorzellenstrom im Verhältnis zu der Sauerstoffkonzentration gemäß dem ersten bekannten Beispiel zeigt;

Fig. 8 ein Diagramm, das eine zeitliche Änderung der Pumpzel lenspannung gemäß dem zweiten bekannten Beispiel zeigt;

Fig. 9 eine Schnittansicht, die das erste bekannte Beispiel zeigt;

Fig. 10 eine Schnittansicht, die das zweite bekannte Beispiel zeigt;

Fig. 11 eine Schnittansicht, die ein Gasmeßelement gemäß ei nem zweiten Ausführungsbeispiel zeigt;

Fig. 12 eine Schnittansicht, die ein weiteres Gasmeßelement gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel zeigt;

Fig. 13 eine Schnittansicht, die ein Gasmeßelement gemäß ei nem dritten Ausführungsbeispiel zeigt;

Fig. 14 eine perspektivische Explosionsansicht, die das Gas meßelement gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel zeigt;

Fig. 15 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der NO_x- Konzentration und dem zugehörigen Sauerstoffionenstrom in Übereinstimmung mit dem dritten Ausführungsbeispiel zeigt;

Fig. 16 eine Schnittansicht, die ein Gasmeßelement gemäß ei nem vierten Ausführungsbeispiel zeigt;

Fig. 17 eine perspektivische Explosionsansicht, die das Gas meßelement gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel zeigt;

Fig. 18 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Pumpzel lenspannung und dem Pumpzellenstrom in Übereinstimmung mit dem vierten Ausführungsbeispiel zeigt;

Fig. 19 eine Schnittansicht, die ein weiteres Gasmeßelement gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel zeigt;

Fig. 20 eine Schnittansicht, die ein Gasmeßelement gemäß ei nem fünften Ausführungsbeispiel zeigt;

Fig. 21 eine Schnittansicht, die ein Gasmeßelement gemäß ei nem sechsten Ausführungsbeispiel zeigt;

Fig. 22 eine Schnittansicht, die ein Gasmeßelement gemäß ei nem siebten Ausführungsbeispiel zeigt;

Fig. 23 eine Schnittansicht, die ein weiteres Gasmeßelement gemäß dem siebten Ausführungsbeispiel zeigt;

Fig. 24 eine Schnittansicht, die ein Gasmeßelement gemäß ei nem achten Ausführungsbeispiel zeigt; und

Fig. 25 eine Schnittansicht, die ein weiteres Gasmeßelement gemäß dem achten Ausführungsbeispiel zeigt.

In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbei spiele unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung sind identische Teile durchweg mit denselben Bezugszeichen be zeichnet.

Erstes Ausführungsbeispiel

Nachstehend wird ein Gasmeßelement gemäß einem ersten Ausfüh rungsbeispiel unter Bezugnahme auf Fig. 1 bis 10 beschrieben.

Wie in Fig. 1 und 2 gezeigt, umfaßt ein Gasmeßelement 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel zwei Kammern, d. h. eine erste Kammer 11 und eine zweite Kammer 12, in welche ein zu messen des Gas eingeleitet wird. Ein erster Diffusionswiderstandska nal 110 verbindet die erste Kammer 11 mit der Außenseite des Gasmeßelements 1. Ein zweiter Diffusionswiderstandskanal 120 verbindet die erste Kammer 11 mit der zweiten Kammer 12. Eine Pumpzelle 3, die sich auf einer die erste Kammer 11 definie renden Fläche bzw. Oberfläche befindet oder dort vorgesehen ist, führt einen Sauerstoffpumpvorgang in Übereinstimmung mit einer angelegten Spannung durch.

Eine erste Überwachungszelle 5, die sich auf einer die erste Kammer 11 definierenden Fläche bzw. Oberfläche befindet oder dort vorgesehen ist, erzeugt eine elektromotorische Kraft, die eine Sauerstoffkonzentration in der ersten Kammer 11 re präsentiert. Eine zweite Überwachungszelle 6, die sich auf einer die zweite Kammer 12 definierenden Fläche bzw. Oberflä che befindet oder dort vorgesehen ist, erzeugt eine elektro motorische Kraft, die eine Sauerstoffkonzentration in der zweiten Kammer 12 repräsentiert. Eine Sensorzelle 2, die sich auf einer die zweite Kammer 12 definierenden Fläche bzw. Oberfläche befindet oder dort angeordnet ist, spricht auf das Anlegen einer vorbestimmten Spannung an zum Erzeugen eines eine bestimmte Gaskonzentration in dem Zielgas repräsentie renden Sensorstroms. Darüber hinaus wird die an die Pumpzelle 3 angelegte Spannung auf der Grundlage der aus der ersten Überwachungszelle 5 und der zweiten Überwachungszelle 6 er haltenen elektromotorischen Kräfte gesteuert.

Das Gasmeßelement 1 ist in einen Gassensor 7 integriert, wie noch zu beschreiben ist, und in einer Abgasleitung eines Kraftfahrzeugmotors zum Messen der NO_x-Konzentration in dem Abgas zu Zwecken der Steuerung der Verbrennung des Motors und der Überwachung eines Abgasreinigungskatalysators instal liert.

Nachstehend wird die Anordnung des Gasmeßelements 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel genauer erklärt.

Wie in Fig. 1 gezeigt, umfaßt das Gasmeßelement 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel eine erste feste elektrolytische Folie 141, einen ersten Abstandshalter 142, eine zweite feste elektrolytische Folie 143, einen zweiten Abstandshalter 144, und eine Heizeinrichtung 15, welche aufeinanderfolgend in dieser Reihenfolge übereinander angeordnet sind, um eine mehrschichtige Sensorstruktur zu bilden. Der erste Abstandshalter 142, der zwischen die erste feste elektrolytische Fo lie 141 und die zweite feste elektrolytische Folie 143 einge legt ist, definiert die erste Kammer 11 und die zweite Kammer 12. Der zweite Abstandshalter 144 definiert eine Bezugs- bzw. Referenzgaskammer 13. Bei Zufuhr von elektrischer Leistung erzeugt die Heizeinrichtung 15 Wärme, um die Sensorzelle 2, die Überwachungszelle 5 und die Pumpzelle 6 auf ihre Aktivie rungstemperaturen zu erwärmen.

Die Sensorzelle 2 besteht aus einem Paar von Sensorelektroden 21 und 22, die sich auf oberen und unteren Flächen der zwei ten festen elektrolytischen Folie 143 befinden oder dort vor gesehen sind. Die Sensorelektroden 21 und 22 sind mit einer Leistungsquelle 252 und einem Strommesser 251 verbunden, um einen Sensorkreis bzw. eine Sensorschaltung 25 zu bilden.

Eine Sensorelektrode befindet sich auf einer die zweite Kam mer 12 definierenden Fläche oder ist dort vorgesehen, während sich die andere Sensorelektrode 22 auf einer die Referenzgas kammer 13 definierenden Fläche befindet oder dort vorgesehen ist.

Die Referenzgaskammer 13 ist mit Luft gefüllt, die als Refe renzgas dient.

Die Pumpzelle 3 besteht aus einem Paar von Pumpelektroden 31 und 32, die sich auf oberen und unteren Flächen der ersten festen elektrolytischen Folie 141 befinden oder dort vorgese hen sind. Die Pumpelektroden 31 und 32 sind mit einer Lei stungsquelle 351 verbunden, um einen Pumpkreis bzw. eine Pumpschaltung 35 zu bilden.

Die Pumpelektrode 31 befindet sich auf einer Außenseite einer porösen Schutzschicht 14 oder ist dort vorgesehen. Infolge dessen liegt die Pumpelektrode 31 der Außenseite des Gasmeß elements 1 gegenüber. Die andere Pumpelektrode 32 befindet sich auf einer die ersten Kammer 11 definierenden Fläche oder ist dort vorgesehen. Der erste Diffusionswiderstandskanal 110 erstreckt sich in vertikaler Richtung derart, daß er durch alle Pumpelektroden 31 und 32 sowie die erste feste elektrolytische Folie 141 hindurch verläuft (dies ist in der Zeich nung nicht im Einzelnen dargestellt). Der erste Diffusionswi derstandskanal 110 und der zweite Diffusionswiderstandskanal 120 sind nadelförmige Öffnungen, können jedoch auch aus porö sen Schichten bestehen.

Die erste Überwachungszelle 5 besteht aus einem Paar von Überwachungszellen 51 und 52, die sich auf oberen und unteren Flächen der zweiten festen elektrolytischen Folie 143 befin den oder dort vorgesehen sind. Die Überwachungszellen 51 und 52 sind mit einem ersten Spannungsmesser 551 verbunden, um einen ersten Überwachungskreis bzw. eine erste Überwachungs schaltung 55 zu bilden.

Auf vergleichbare Art und Weise besteht die zweite Überwa chungszelle 6 aus einem Paar von Überwachungszellen 61 und 62, die sich auf oberen und unteren Flächen der zweiten fe sten elektrolytischen Folie 143 befinden oder dort vorgesehen sind. Die Überwachungszellen 61 und 62 sind mit einem zweiten Spannungsmesser 651 verbunden, um einen zweiten Überwachungs kreis bzw. eine zweite Überwachungsschaltung 65 zu bilden.

Ein Ausgangssignal der ersten Überwachungsschaltung 55 wird über einen Rückkopplungskreis 56 an den Pumpkreis 35 gesen det. Ein Ausgangssignal der zweiten Überwachungsschaltung 65 wird über einen Rückkopplungskreis 66 an den Pumpkreis 35 ge sendet.

Die Überwachungselektrode 51 befindet sich auf einer die er ste Kammer 11 definierenden Fläche oder ist dort vorgesehen. Die Überwachungselektrode 61 befindet sich auf einer die zweite Kammer 12 definierenden Fläche oder ist dort vorgese hen. Die anderen Überwachungselektroden 52 und 62 befinden sich auf einer die Referenzgaskammer 13 definierenden Fläche oder sind dort vorgesehen.

Sowohl die erste feste elektrolytische Folie als auch die zweite feste elektrolytische Folie 143 sind Zirkonium- Elemente mit Sauerstoffionenleitfähigkeit. Die Pumpelektrode 31, die Sensorelektrode 22 und die Überwachungselektroden 52 und 62 bestehen aus Platin (Pt) oder einem vergleichbaren Edelmetall. Die Pumpelektrode 32 und die Überwachungselektro den 51 und 61 bestehen aus einer Platin-Gold-Legierung (Pt- Au) oder einem vergleichbaren Edelmetall bzw. einer Edelme tallverbindung, welche(s) gegenüber NO_x inaktiv ist. Die Sen sorelektrode 21 besteht aus einer Pt-Ph-Legierung bzw. einer Pt-Rh-Legierung oder einem vergleichbaren Edelmetall bzw. ei ner Edelmetallverbindung, welche(s) gegenüber NO_x aktiv ist. In diesem Fall repräsentiert aktivinaktiv die Fähigkeit/Un fähigkeit zur Zerlegung von NO_x in Sauerstoffionen und Stick stoffionen.

Jeder der Abstandshalter 142 und 144 ist ein isolierendes Aluminiumoxid-Element. Die poröse Schutzschicht 140 ist ein isolierendes Keramik-Element.

Die Heizeinrichtung 15 umfaßt ein Paar von isolierenden Sub straten 151 und 152 sowie ein zwischen diesen Heizeinrich tungssubstraten 151 und 152 angeordnetes Heizelement 150. Das Heizelement 150 erzeugt Wärme bei Aufnahme von elektrischer Leistung. Die Heizeinrichtungssubstrate 151 und 152 sind Alu miniumoxid-Elemente. Das Heizelement 150 ist ein Platin- Element.

Fig. 3 zeigt einen Gassensor 7, in den das Gasmeßelement 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel integriert ist. Der Gassensor 7 umfaßt ein zylinderförmiges Gehäuse 70, welches das Gasmeß element 1 umgeben von einem isolierenden Material beherbergt.

Das vordere Ende (d. h. das distale Ende) des Gasmeßelements 1 ragt in der axial stirnseitigen Richtung (d. h. Abwärts richtung) aus dem Gehäuse 70 und wird von einer Abgasabdec kung 71 umgeben und in diesem untergebracht. Die Abgasabdec kung 71 ist ein tassenförmiges Element, das an dem vorderen Ende des Gehäuses 70 befestigt ist.

Die Abgasabdeckung 71 umfaßt eine innere Abdeckung 711 und eine äußere Abdeckung 712, die koaxial angeordnete rostfreie Elemente sind und zusammen eine doppelwandige Struktur bil den. Sowohl die innere Abdeckung 711 als auch die äußere Abdeckung 712 hat eine zylinderförmige Wandung und einen Boden, auf dem eine Vielzahl von Löchern 713 und 714 auf geeignete Art und Weise ausgebildet sind, um Abgas (d. h. Zielgas) in die Abgasabdeckung 71 zu leiten.

Eine Außenluft- bzw. Atmosphärenabdeckung 72, die aus einer zylinderförmigen Hauptabdeckung 721 und einer Nebenabdeckung 722, welche sich überlappen, besteht, ist an dem rückwärtigen Ende des Gehäuses 70 befestigt. Die Hauptabdeckung 721 und die Nebenabdeckung 722 besitzen einander gegenüberliegende Löcher 723 und 724, durch welche Luft in die Atmosphärenab deckung 72 geleitet wird.

Ein wasserabweisendes Filter 725 ist in einem geschlossenen Raum zwischen der Hauptabdeckung 721 und der Nebenabdeckung 722 an der den Lufteinleitlöchern 723 und 724 entsprechenden Position vorgesehen. Die Atmosphärenabdeckung 72 hat eine Öffnung am rückwärtigen Ende, durch welche sich Leitungsdräh te 73 nach außen erstrecken. Die Leitungsdrähte 73 sind mit dem hinteren Ende (d. h. dem proximalen Ende) des Gasmeßele ments 1 verbunden.

Das vorstehend beschriebene Gasmeßelement 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel arbeitet auf die folgende Art und Weise.

Das Abgas tritt über die poröse Schutzschicht 140 und den er sten Diffusionswiderstandskanal 110 in die erste Kammer 11 ein. Der Gesamtdiffusionswiderstand der porösen Schutzschicht 140 und des ersten Diffusionswiderstandskanals 110 bestimmt die in die erste Kammer 11 eingeleitete Abgasmenge.

In der ersten Kammer 11 ionisiert die Pumpzelle 3 in dem Ab gas enthaltenen Sauerstoff. Die Pumpzelle 3 erlaubt es den Sauerstoffionen, sich zwischen der ersten Kammer 11 und der Außenseite des Gasmeßelements 1 zu bewegen. Dies wird als Pumpen von Sauerstoff in der/die erste(n) Kammer 11 bezeich net.

Die erste Überwachungszelle 5, die der ersten Kammer 11 ge genüberliegt, hat die Fähigkeit, eine die Sauerstoffkonzentration repräsentierende elektromotorische Kraft zu erzeugen. Der erste Spannungsmesser 551 des ersten Überwachungskreises 55 mißt die von der ersten Überwachungszelle 5 erzeugte elek tromotorische Kraft. Auf vergleichbare Art und Weise hat die zweite Überwachungszelle 6, die der zweiten Kammer 12 gegenü berliegt, die Fähigkeit, eine die Sauerstoffkonzentration re präsentierende elektromotorische Kraft zu erzeugen. Der zwei te Spannungsmesser 651 des zweiten Überwachungskreises 65 mißt die von der zweiten Überwachungszelle 6 erzeugte elek tromotorische Kraft.

Ein Unterschied zwischen den durch die Spannungsmesser 551 und 561 gemessenen elektromotorischen Kräften wird über die Rückkopplungskreise 55 und 65 an den Pumpkreis 35 gesendet. In dem Pumpkreis 35 wird der Spannungswert der Leistungsquel le 351 auf der Grundlage dieses Rückkopplungssignals auf ei nen geeigneten Wert gesteuert, um die Sauerstoffpumpmenge der Pumpzelle 3 zu steuern.

Die Sauerstoffpumpmenge wird auf die folgende Art und Weise gesteuert.

Wenn die Sauerstoffkonzentration in dem gemessenen Gas stabil ist, besteht kein wesentlicher Unterschied zwischen der von der ersten Überwachungszelle 5 erzeugten elektromotorischen Kraft und der von der zweiten Überwachungszelle 6 erzeugten elektromotorischen Kraft. In diesem Fall wird die an die Pumpzelle 3 angelegte Spannung auf der Grundlage der elektro motorischen Kraft der zweiten Überwachungszelle 6 gesteuert, weil die zweite Überwachungszelle 6 die Sauerstoffkonzentra tion in der Nähe der Sensorzelle 2 genau überwachen kann, wie aus der positionalen Beziehung der zweiten Überwachungszelle 6 zu der Sensorzelle 2 ersichtlich ist. Dies ist wirkungsvoll zum Eliminieren des durch die Sauerstoffkonzentrationsvertei lung in der ersten Kammer 11 und der zweiten Kammer 12 verur sachten Fehlers.

Wenn sich die Sauerstoffkonzentration in dem gemessenen Gas stark ändert, unterscheidet sich die elektromotorische Kraft der ersten Überwachungszelle 5 ersichtlich von der der zweiten Überwachungszelle 6.

Wenn die Sauerstoffkonzentration in dem gemessenen Gas lang sam zunimmt, wird die elektromotorische Kraft der ersten Überwachungszelle 5 kleiner als die der zweiten Überwachungs zelle 6. Andererseits wird dann, wenn die Sauerstoffkonzen tration in dem gemessenen Gas langsam abnimmt, die elektromo torische Kraft der ersten Überwachungszelle 5 größer als die der zweiten Überwachungszelle 6.

Dies ist auf die Zeitverzögerung zurückzuführen, die erfor derlich ist, wenn das gemessene Gas durch den die erste Kam mer 11 mit der zweiten Kammer 12 verbindenden Diffusionswi derstandskanal hindurchtritt. Infolgedessen wird die Änderung der Sauerstoffkonzentration in dem gemessenen Gas mit einer relativ langen Verzögerungszeit an die zweite Kammer 12 über tragen.

In einem solchen Übergangszustand wird, um einen durch die Verschlechterung des Ansprechverhaltens verursachten ungün stigen Einfluß zu unterdrücken, die an die Pumpzelle 3 ange legte Spannung auf der Grundlage der elektromotorischen Kraft der ersten Überwachungszelle 5 gesteuert, weil die erste Überwachungszelle 5 die Änderung der in dem gemessenen Gas verursachten Sauerstoffkonzentration schnell messen kann.

Bei dieser Steuerung wird die an die Pumpzelle 3 angelegte Spannung derart gesteuert, daß Erfassungswerte der Spannungs messer 551 und 651 in den Überwachungskreisen 55 und 65 in nerhalb eines Bereichs von 300 mV bis 500 mV liegen. Mit die ser Anordnung kann die Sauerstoffkonzentration in der ersten Kammer 11 und der zweiten Kammer 12 auf ein Niveau von 1 ppm (parts per million) oder kleiner, welches keinen ungünstigen Einfluß auf die NO_x-Konzentrationsmessung ausübt, gedrückt werden.

Fig. 4 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der NO_x- Konzentration in dem gemessenen Gas, der Sensorzellenspannung und dem Sensorzellenstrom in Übereinstimmung mit dem ersten Ausführungsbeispiel zeigt.

Eine vorbestimmte Spannung V_A wird immer an die Sensorzelle 2 angelegt. Wenn der in dem Sensorkreis 25 gemessene Sensorzel lenstrom 0,2 µA, 2 µA und 3,8 µA beträgt, ist die entspre chende NO_x-Konzentration 0 ppm, 1000 ppm bzw. 2000 ppm. Auf diese Art und Weise wird zwischen dem Sensorzellenstrom und der NO_x-Konzentration Linearität beibehalten.

Als nächstes wird das Gasmeßelement 1 des ersten Ausführungs beispiels bezüglich seiner Leistung im Vergleich zu dem er sten und dem zweiten bekannten Beispiel, d. h. den in Fig. 9 und 10 gezeigten Gasmeßelementen 901 und 902, bewertet.

Das Gasmeßelement 901 (d. h. das erste bekannte Beispiel) ist dadurch charakterisiert, daß sowohl die Pumpzelle 3 als auch eine Überwachungszelle 95 der ersten Kammer 11 gegenüberlie gen, während die Sensorzelle 2 der zweiten Kammer 12 gegenü berliegt.

Das Gasmeßelement 902 (d. h. das zweite bekannte Beispiel) ist dadurch charakterisiert, daß die Pumpzelle 3 der ersten Kammer 11 gegenüberliegt, während sowohl die Überwachungszel le 95 als auch die Sensorzelle 2 der zweiten Kammer 12 gegen überliegen.

Leistungsbewertung 1 Sauerstoffkonzentrationsabhängigkeit

Um die Sauerstoffkonzentrationsabhängigkeit zu prüfen, wurde das Gasmeßelement 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel in den in Fig. 3 gezeigten Gassensor 7 integriert. Dann wurde der Gassensor 7 Probengasen mit unterschiedlichen Sauerstoff konzentrationen ausgesetzt, um die NO_x-Konzentration zu mes sen. Auf vergleichbare Art und Weise wurde jedes der bekann ten Gasmeßelemente 901 und 902 den Probengasen ausgesetzt, um die NO_x-Konzentrationen zu messen.

Die für diese Leistungsprüfung vorbereiteten Probengase wur den nach verschiedenen Zusammensetzungen unterschieden, bei spielsweise (1% Sauerstoff, 99% Stickstoff), (5% Sauerstoff, 95% Stickstoff) bzw. (20% Sauerstoff, 80% Stickstoff). Bei dieser Prüfung wurde die NO_x-Konzentration für jedes Probengas von 0 auf 1000 ppm geändert. Der Sensorzellenstrom wurde durch den Strommesser 251 in dem Sensorkreis 25 gemessen.

Leistungsbewertung 2 Ansprechen

Um das Ansprechen zu prüfen, wurde der das Gasmeßelement 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel beinhaltende Gassensor 7 einem weiteren Probengas mit 1000 ppm NO_x und 1% Sauerstoff ausgesetzt. Bei dieser Ansprechprüfung wurde die Sauerstoff konzentration zu einem späteren Zeitpunkt von 1% auf 20% ge ändert, um die Änderung der an die Pumpzelle 3 angelegten Spannung zu überwachen. Dieselbe Prüfung wurde für jedes der bekannten Gasmeßelemente 901 und 902 durchgeführt.

Fig. 5 und 7 zeigen die Ergebnisse der Leistungsbewertung 1.

Wie in Fig. 7 gezeigt, ändert sich gemäß dem ersten bekannten Beispiel (d. h. dem Gasmeßelement 901) der Sensorzellenstrom stark in Übereinstimmung mit der Änderung der Sauerstoffkon zentration.

Unterdessen ändert sich, wie in Fig. 5 gezeigt, gemäß dem Gasmeßelement 1 des ersten Ausführungsbeispiels oder gemäß dem zweiten bekannten Beispiel (d. h. dem Gasmeßelement 902) der Sensorzellenstrom nicht so stark in Übereinstimmung mit der Änderung der Sauerstoffkonzentration.

Fig. 6 und 8 zeigen die Ergebnisse der Leistungsbewertung 2.

Wie in Fig. 6 gezeigt, zeigte gemäß dem Gasmeßelement 1 des ersten Ausführungsbeispiels oder gemäß dem ersten bekannten Beispiel (d. h. dem Gasmeßelement 901) die an die Pumpzelle 3 angelegte Spannung eine Änderung in Antwort auf das Umschal ten der Sauerstoffkonzentration mit einer relativ kurzen Ver zögerungszeit von etwa 60 ms. Dies demonstriert, daß eine schnelle Steuerung auf der Grundlage des Signals der Überwa chungszelle 95 oder 5 durchgeführt wurde. Demgegenüber benö tigte das zweite bekannte Beispiel (d. h. das Gasmeßelement 902) eine relativ lange Verzögerungszeit von etwa 150 ms.

Wie vorstehend beschrieben wurde, weist das Gasmeßelement 1 des ersten Ausführungsbeispiels ein hervorragendes Ansprech verhalten auf und ist in der Lage, die NO_x-Konzentration un abhängig von der Verteilung der Sauerstoffkonzentration si cher zu erfassen. Das erste bekannte Beispiel zeigt eine un erwünschte Sauerstoffkonzentrationsabhängigkeit, obschon sein Ansprechverhalten gut ist. Das zweite bekannte Beispiel zeigt ein schlechtes Ansprechverhalten, obschon die Erfassung der NO_x-Konzentration genau ist.

Das Gasmeßelement 1 des ersten Ausführungsbeispiels weist die der ersten Kammer 11 gegenüberliegende erste Überwachungszel le 5 und die der zweiten Kammer 12 gegenüberliegende Überwa chungszelle 6 auf. Die Erfassungssignale der ersten Überwa chungszelle 5 und der zweiten Überwachungszelle 6 werden wahlweise zum Steuern der Spannung der Pumpzelle 3 in Bezug auf einen stabilen/instabilen Zustand der Sauerstoffkonzen tration verwendet.

Demgemäß stellt das erste Ausführungsbeispiel ein NO_x-Erfas sungselement mit hervorragendem Ansprechverhalten bereit, welches in der Lage ist, die NO_x-Konzentration auch dann ge nau zu erfassen, wenn eine gewisse Verteilung in der Sauer stoffgaskonzentration vorhanden ist.

Wie vorstehend beschrieben wurde, stellt das erste Ausfüh rungsbeispiel ein Gasmeßelement bereit, welches ein hervorra gendes Ansprechverhalten aufweist und in der Lage ist, eine bestimmte Gaskonzentration in einem gemessenen Gas unabhängig von einer unvorhersehbaren oder instabilen Sauerstoffgaskon zentration genau zu erfassen.

Obwohl in dem ersten Ausführungsbeispiel ein NO_x-Gasmeßele ment beschrieben wird, ist ohne weiteres ersichtlich, daß das Gasmeßelement gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel zu einem CO-Gasmeßelement modifiziert werden kann, wenn die Elektrode der Sensorzelle durch ein zum Zerlegen von CO in Kohlenstoff ionen und Sauerstoffionen geeignetes Material ersetzt wird. Auf vergleichbare Art und Weise kann das Gasmeßelement gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel zum Erfassen anderer Gase wie beispielsweise CO₂, H₂O und SO_x verwendet werden.

Zweites Ausführungsbeispiel

Wie in Fig. 11 und 12 gezeigt, ist ein Gasmeßelement gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel dadurch charakterisiert, daß die erste Überwachungszelle und die zweite Überwachungs zelle parallel miteinander verbunden sind.

Gemäß dem in Fig. 11 gezeigten Gasmeßelement ist jede der er sten Überwachungszelle 5 und der zweiten Überwachungszelle 6 parallel mit einem gemeinsamen Überwachungskreis 59 verbun den.

Der Überwachungskreis 59 umfaßt einen Spannungsmesser 591, welcher einen Mittelwert der von den Überwachungszellen 5 und 6 erzeugten elektromotorischen Kräfte mißt. Eine Rückkopp lungsschaltung 58 steuert die an die Pumpzelle 3 angelegte Spannung auf der Grundlage des gemessenen Werts des Span nungsmessers 591. Die übrige Ausführungsform ist im wesentli chen zu der des ersten Ausführungsbeispiels identisch.

Wenn die Sauerstoffkonzentration in dem gemessenen Gas stabil ist, besteht kein wesentlicher Unterschied zwischen der von der ersten Überwachungszelle 5 erzeugten elektromotorischen Kraft und der von der zweiten Überwachungszelle 6 erzeugten elektromotorischen Kraft.

Wenn sich die Sauerstoffkonzentration in dem gemessenen Gas ändert, wird der gemessene Wert des Spannungsmessers 591 im Vergleich zu dem in dem stabilen Zustand erhaltenen Wert grö ßer oder kleiner. Demgemäß wird der Wert des Spannungsmessers 591 in dem stabilen Zustand vorab als Referenzwert gemessen. Wenn ein Unterschied zwischen dem gemessenen Wert des Span nungsmessers 591 und dem Referenzwert vorhanden ist, wird die an die Pumpzelle 3 angelegte Spannung so gesteuert, daß die ser Unterschied eliminiert wird.

Auf diese Art und Weise kann gemäß dem zweiten Ausführungs beispiel die Pumpzelle 3 unter Verwendung eines Ausgabewerts des Spannungsmessers 591 gesteuert werden. Dies ermöglicht es, den Steuerungsmechanismus zu vereinfachen.

Das zweite Ausführungsbeispiel arbeitet auf dieselbe Art und Weise wie das erste Ausführungsbeispiel und erbringt im we sentlichen dieselben Wirkungen.

Gemäß dem in Fig. 12 gezeigten Gasmeßelement 1 sind die erste Überwachungszelle 5 und die zweite Überwachungszelle 6 inte gral bzw. durchgängig über den zweiten Diffusionswiderstands kanal 120 ausgebildet. Diese Ausführungsform ist dahingehend vorteilhaft, daß die Ausgestaltung der Elektrode(n) und die Verdrahtungsanordnung zum Verbinden der Elektrode(n) mit dem Überwachungskreis 59 vereinfacht werden können. Infolgedessen kann die Herstellung des Gasmeßelements vereinfacht werden.

Die übrige Ausführung ist im wesentlichen zu der des ersten Ausführungsbeispiels identisch, arbeitet auf im wesentlichen dieselbe Art und Weise, und erbringt im wesentlichen diesel ben Wirkungen wie das erste Ausführungsbeispiel.

Drittes Ausführungsbeispiel

Wie in Fig. 13 bis 15 gezeigt, ist bei einem Gasmeßelement 1 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel eine Überwachungszel le 500 in der zweiten Kammer 12 vorgesehen.

Wie in Fig. 13 und 14 gezeigt, liegt bei dem Gasmeßelement 1 des dritten Ausführungsbeispiels die Pumpzelle 3 zum Pumpen von Sauerstoff in Antwort auf eine angelegte Spannung der er sten Kammer 11 gegenüber. Die Überwachungszelle 500 liegt der zweiten Kammer 12 gegenüber. Die Sensorzelle 2 liegt der zweiten Kammer 12 zum Messen der NO_x-Konzentration in dem ge messenen Gas in Antwort auf die angelegte Spannung gegenüber.

Die an die Pumpzelle 3 angelegte Spannung wird auf der Grund lage eines Begrenzerstroms gesteuert, der erhalten wird, wenn eine Spannung an die Überwachungszelle 500 angelegt wird.

Die Überwachungszelle 500 besteht aus einem Paar von Elektro den 501 und 502, die auf oberen und unteren Flächen der zwei ten festen elektrolytischen Folie 142 vorgesehen sind. Die Überwachungszellenelektroden 501 und 502 sind mit einem Strommesser 555 und einer Leistungsquelle 556 verbunden, um einen Überwachungskreis 550 zu bilden.

Ein Rückkopplungskreis 560 ist vorgesehen, um ein Ausgangssi gnal des Strommessers 555 zu dem Pumpkreis 35 zu senden.

Die übrige Ausführung ist identisch zu der des ersten Ausfüh rungsbeispiels.

Gemäß dieser Ausführungsform ändert sich der Überwachungszel lenstrom in einem bestimmten Spannungsbereich unabhängig von einer Änderung der an die Überwachungszelle 500 angelegten Spannung nicht. Dies wird als Begrenzerstrom bezeichnet. Der Begrenzerstrom repräsentiert die Sauerstoffkonzentration in der zweiten Kammer 12. Infolgedessen kann der aus der Überwa chungszelle 500 erhaltene Begrenzerstrom zum Steuern der an die Pumpzelle 3 angelegten Spannung verwendet werden.

Da die Pumpzelle 3 auf der Grundlage der Sauerstoffkonzentra tion in der Nähe der Sensorzelle 2 gesteuert wird, wird es möglich, die NO_x-Konzentration auch dann genau zu erfassen, wenn eine gewisse Verteilung in der Sauerstoffgaskonzentrati on vorhanden ist.

Ferner ermöglicht es ein ständiges Anlegen einer Spannung an die Überwachungszelle 500, einen Sauerstoffpumpvorgang in der zweiten Kammer 12 durchzuführen.

Demgemäß kann auch in einer Situation, in der die Pumpzelle 3 die Sauerstoffkonzentration in der ersten Kammer 11 aufgrund einer schnellen Änderung der Sauerstoffkonzentration in dem gemessenen Gas nicht auf einen konstanten Wert steuern kann, die Pumpfunktion der Überwachungszelle 500 der Änderung der Sauerstoffkonzentration nachfolgen, und tritt durch die Ansprech- bzw. Antwortverzögerung kein Problem auf.

Demgemäß ermöglicht es das Gasmeßelement gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel, eine bestimmte Gaskonzentration ungeach tet eines stabilen/instabilen Zustands der Sauerstoffkonzen tration genau zu erfassen.

Ferner wird es, da das Gasmeßelement gemäß dem dritten Aus führungsbeispiel den Begrenzerstrom der Überwachungszelle 500 zum Steuern der Pumpzelle 3 verwendet, möglich, den durch den Offsetstrom verursachten Fehler zu verringern. Somit wird ei ne hochgenaue Erfassung verwirklicht.

Fig. 15 zeigt die Ergebnisse der Leistungsbewertung 1 für das dritte Ausführungsbeispiel, welche auf dieselbe Art und Weise wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel durchgeführt wurde.

Das Ergebnis nach Fig. 15 demonstriert, daß das Gasmeßelement 1 des dritten Ausführungsbeispiels die NO_x-Konzentration auch dann genau erfassen kann, wenn eine gewisse Verteilung in der Sauerstoffgaskonzentration vorhanden ist.

Betreffend die Leistungsbewertung 2 hat das Gasmeßelement 1 des dritten Ausführungsbeispiels im wesentlichen dasselbe Er gebnis wie das des ersten Ausführungsbeispiels erreicht (vgl. Fig. 6).

Viertes Ausführungsbeispiel

Wie in Fig. 16 bis 21 gezeigt, umfaßt ein Gasmeßelement 1 ge mäß einem vierten Ausführungsbeispiel eine erste Pumpzelle 3 und eine zweite Pumpzelle 4, die der ersten Kammer 11 und der zweiten Kammer 12 gegenüberliegen.

Wie in Fig. 16 und 17 gezeigt, weist das Gasmeßelement 1 die erste Pumpzelle 3 auf, die sich auf einer die erste Kammer 11 definierenden Fläche befindet oder dort vorgesehen ist, und eine zweite Pumpzelle 4, die sich auf einer die zweite Kammer 12 definierenden Fläche befindet oder dort vorgesehen ist. Eine Sensorzelle 2 und eine Überwachungszelle 6 befinden sich auf einer die zweite Kammer 12 definierenden Fläche oder sind dort vorgesehen.

Die erste Pumpzelle 3 erzeugt einen Pumpstrom in Übereinstim mung mit ihrer eigenen Sauerstoffpumpfunktion. Der Pumpstrom der ersten Pumpzelle 3 wird dazu verwendet, die an die erste Pumpzelle 3 angelegte Spannung zu steuern.

Die an die zweite Pumpzelle 4 angelegte Spannung 4 wird auf der Grundlage eines Ausgangssignals einer der zweiten Kammer 12 gegenüberliegenden Überwachungszelle 6 gesteuert.

Die erste Pumpzelle 3 besteht aus einem Paar von Elektroden 31 und 32, die auf oberen und unteren Flächen der ersten fe sten elektrolytischen Folie 141 vorgesehen sind. Die Pumpzel lenelektroden 31 und 32 sind mit einem Strommesser 352 und einer Leistungsquelle 351 verbunden, um einen ersten Pump kreis 35 zu bilden.

Die zweite Pumpzelle 4 besteht aus einem Paar von Elektroden 41 und 42, die auf oberen und unteren Flächen der ersten fe sten elektrolytischen Folie 141 vorgesehen sind. Die Pumpzel lenelektroden 41 und 42 sind mit einer Leistungsquelle 451 verbunden, um einen zweiten Pumpkreis 45 zu bilden.

Die Überwachungszelle 6 besteht aus einem Paar von Elektroden 61 und 62, die auf oberen und unteren Flächen der zweiten fe sten elektrolytischen Folie 143 vorgesehen sind. Die Überwa chungszellenelektroden 61 und 62 sind mit einer Leistungs quelle 651 verbunden, um einen Überwachungskreis 65 zu bil den. Ein Rückkopplungskreis ist bereitgestellt, um eine Aus gabe des Überwachungskreises 65 an den zweiten Pumpkreis 45 zu senden.

Die übrige Ausführungsform ist identisch zu der des ersten Ausführungsbeispiels.

Wie in Fig. 18 gezeigt, ändert sich der Pumpzellenstrom in einem bestimmten Spannungsbereich der angelegten Spannung nicht. Dieser konstante Stromwert, d. h. der Begrenzerstrom wert, ist von der Sauerstoffkonzentration abhängig.

Demgemäß kann die Sauerstoffkonzentration in der ersten Kam mer durch Einstellen der an die Pumpzelle 3 angelegten Span nung in Übereinstimmung mit dem Pumpstrom auf einem konstan ten Wert gehalten werden.

Ferner führen gemäß diesem Ausführungsbeispiel zwei Pumpzel len 3 und 4 individuell einen Pumpvorgang in den jeweiligen Kammern 11 und 12 durch. Infolgedessen kann die Sauerstoff konzentration in jeder der Kammern 11 und 12 auf einfache Art und Weise auf einen niedrigen Wert gesteuert werden. Auch in einer Situation, in der sich die Sauerstoffkonzentration stark ändert, ermöglicht es das individuelle Durchführen des Pumpvorgangs in jeder Kammer, das durch die Ansprechverzöge rung verursachte Problem zu eliminieren.

Wie vorstehend beschrieben wurde, wird gemäß dem vierten Aus führungsbeispiel ein Gasmeßelement bereitgestellt, welches ein hervorragendes Ansprechverhalten aufweist und in der Lage ist, eine bestimmte Gaskonzentration in einem gemessenen Gas unabhängig von einer unvorhersehbaren oder instabilen Vertei lung der Sauerstoffgaskonzentration genau zu erfassen.

Gemäß den Leistungsbewertungen 1 und 2 hat das Gasmeßelement 1 des vierten Ausführungsbeispiels im wesentlichen dieselben Ergebnisse wie das des ersten Ausführungsbeispiels erreicht (vgl. Fig. 5 und 6) Dies demonstriert, daß das Gasmeßelement 1 gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel ein hervorragendes Ansprechverhalten aufweist und in der Lage ist, die NO_x-Kon zentration unabhängig von der Sauerstoffkonzentration genau zu erfassen.

Fig. 19 zeigt ein modifiziertes Gasmeßelement 1 in Überein stimmung mit dem vierten Ausführungsbeispiel, gemäß dem die zweite Pumpzelle 4 einen Pumpstrom in Übereinstimmung mit ih rer eigenen Sauerstoffpumpfunktion erzeugt. Der Pumpstrom der zweiten Pumpzelle 4 wird zum Steuern der an die zweite Pump zelle 4 angelegten Spannung verwendet. Die zweite Pumpzelle 4 ist mit einem Strommesser 452 und einer Leistungsquelle 451 verbunden, um einen Pumpkreis 45 zu bilden. Ein Rückkopp lungskreis 453 ist vorgesehen, um eine Ausgabe des Strommes sers 452 an die Leistungsquelle 451 zu senden. Dieses modifi zierten Ausführungsbeispiel erbringt im wesentlichen diesel ben Wirkungen wie das in Fig. 16 gezeigte.

Fünftes Ausführungsbeispiel

Fig. 20 zeigt ein Gasmeßelement 1 gemäß einem fünften Ausfüh rungsbeispiel.

Wie in dem vierten Ausführungsbeispiel erzeugt die erste Pumpzelle 3 einen Pumpstrom in Übereinstimmung mit ihrer ei genen Sauerstoffpumpfunktion. Der Pumpstrom der ersten Pump zelle 3 wird zum Steuern der an die erste Pumpzelle 3 ange legten Spannung verwendet.

Es ist jedoch möglich, eine Überwachungszelle zwischen der ersten Kammer und einer Referenzgaskammer vorzusehen. In die sem Fall kann eine Ausgabe dieser Überwachungszelle zum Steu ern der an die erste Pumpzelle 3 angelegten Spannung verwen det werden, so daß die Überwachungszelle eine konstante elek tromotorische Kraft erzeugen kann. Alternativ ist es dann, wenn eine Spannung an die Überwachungszelle angelegt wird, möglich, den Überwachungszellenstrom auf einen konstanten Wert zu steuern.

Die an die zweite Pumpzelle 4 angelegte Spannung wird derart gesteuert, daß die Überwachungszelle 6 einen konstanten Über wachungsstrom erzeugt. Die Überwachungszelle 6 liegt der zweiten Kammer 12 gegenüber und wird mit einer Spannung aus einer Leistungsquelle 653 versorgt. Ein Strommesser 652 er faßt den Überwachungsstrom der Überwachungszelle 6. Die Über wachungszelle 6, der Strommesser 652 und die Leistungsquelle 653 bilden in Zusammenwirkung einen Überwachungskreis 65. Ein Rückkopplungskreis 6 ist vorgesehen, um eine Ausgabe des Strommessers 652 an die Leistungsquelle 451 des Pumpkreises 45 zu senden.

Gemäß dem Gasmeßelement 1 des fünften Ausführungsbeispiels wird es möglich, die NO_x-Konzentration in dem gemessenen Gas genau zu erfassen, ohne daß dies durch den Offset des Sensor zellenstroms ungünstig beeinflußt wird, während ein geeigne tes Ansprechverhalten aufrechterhalten wird.

Gemäß den Leistungsbewertungen 1 und 2 hat das Gasmeßelement 1 des fünften Ausführungsbeispiels im wesentlichen dieselben Ergebnisse wie das des ersten Ausführungsbeispiels erreicht (vgl. Fig. 5 und 6). Dies demonstriert, daß das Gasmeßelement 1 gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel ein hervorragendes Ansprechverhalten aufweist und in der Lage ist, die NO_x-Kon zentration unabhängig von der Sauerstoffkonzentration zu er fassen.

Sechstes Ausführungsbeispiel

Fig. 21 zeigt ein Gasmeßelement gemäß einem sechsten Ausfüh rungsbeispiel. Die Pumpzelle 3 ist zwischen der ersten Kammer 11 und der Referenzgaskammer 13 vorgesehen, um zwischen die sen einen Sauerstoffpumpvorgang durchzuführen. Die Referenz gaskammer 13 ist mit Luft gefüllt. Wenn es zur Messung von aus einem Kraftfahrzeugmotor ausgestoßenem Abgas verwendet wird, kann das Gasmeßelement gemäß dem sechsten Ausführungs beispiel die NO_x-Konzentration auch dann genau messen, wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Abgases auf die abgemager te Seite verschoben ist. Der Rest des sechsten Ausführungs beispiels ist im wesentlichen gleich dem des vierten Ausfüh rungsbeispiels.

Siebtes Ausführungsbeispiel

Fig. 22 zeigt ein Gasmeßelement in Übereinstimmung mit einem siebten Ausführungsbeispiel, gemäß dem sowohl die erste Pump zelle 3 als auch die Überwachungszelle 5 der ersten Kammer 11 gegenüberliegen, während sowohl die zweite Pumpzelle 4 als auch die Sensorzelle 2 der zweiten Kammer 12 gegenüberliegen. Die an die erste Pumpzelle 3 angelegte Spannung wird auf der Grundlage eines Begrenzerstroms der Überwachungszelle 5 ge steuert. Die an die zweite Pumpzelle 4 angelegte Spannung wird auf der Grundlage ihres eigenen Pumpstroms gesteuert.

Da jedoch die Sauerstoffkonzentration in der zweiten Kammer auf einem niedrigeren konstanten Wert liegt, ist es möglich, eine konstante Spannung anzulegen, um die zweite Pumpzelle 4 einzustellen.

Ferner ist es möglich, eine Überwachungszelle zwischen der zweiten Kammer 12 und der Referenzgaskammer 13 vorzusehen, so daß eine von der Überwachungszelle erzeugte elektromotorische Kraft zum Steuern der an die zweite Pumpzelle 4 angelegten Spannung verwendet werden kann.

Fig. 23 zeigt ein weiteres Gasmeßelement gemäß dem siebten Ausführungsbeispiel. Sowohl die erste Pumpzelle 3 als auch die erste Überwachungszelle 5 liegen der ersten Kammer 11 ge genüber. Die zweite Pumpzelle 4, die zweite Überwachungszelle 6 und die Sensorzelle 2 liegen der zweiten Kammer 12 gegen über. Die erste Überwachungszelle 5 ist mit einem Strommesser 555 und einer Leistungsquelle 556 verbunden, um einen ersten Überwachungskreis 550 zu bilden. Die zweite Überwachungszelle 6 ist mit einem Strommesser 665 und einer Leistungsquelle 656 verbunden, um einen zweiten Überwachungskreis 650 zu bilden.

Die an die erste Pumpzelle 3 angelegte Spannung wird auf der Grundlage eines Begrenzerstroms der ersten Überwachungszelle 5 gesteuert. Die an die zweite Pumpzelle 4 angelegte Spannung wird auf der Grundlage eines Begrenzerstroms der zweiten Überwachungszelle 6 gesteuert.

In Übereinstimmung mit dem Gasmeßelement 1 des siebten Aus führungsbeispiels wird es möglich, die NO_x-Konzentration in dem gemessenen Gas genau zu erfassen, ohne daß dies durch den Offset des Sensorzellenstroms ungünstig beeinflußt wird, wäh rend ein geeignetes Ansprechverhalten aufrechterhalten wird.

Achtes Ausführungsbeispiel

Fig. 24 zeigt ein Gasmeßelement in Übereinstimmung mit einem achten Ausführungsbeispiel, gemäß dem die erste Pumpzelle 3 der ersten Kammer 11 gegenüberliegt, während sowohl die zwei te Pumpzelle 4 als auch die Überwachungszelle 6 der zweiten Kammer 12 gegenüberliegen. Die an die erste Pumpzelle 3 ange legte Spannung wird auf der Grundlage eines Begrenzerstroms der Überwachungszelle 6 gesteuert. Die an die zweite Pumpzel le 4 angelegte Spannung wird auf der Grundlage ihres eigenen Pumpstroms gesteuert.

Es ist jedoch möglich, eine Überwachungszelle zwischen der zweiten Kammer 12 und der Referenzgaskammer 13 vorzusehen. In diesem Fall kann eine Ausgabe dieser Überwachungszelle zum Steuern der an die zweite Pumpzelle 4 angelegten Spannung verwendet werden, so daß die Überwachungszelle eine konstante elektromotorische Kraft erzeugen kann.

Fig. 25 zeigt ein weiteres Gasmeßelement in Übereinstimmung mit dem achten Ausführungsbeispiel, gemäß dem sowohl die er ste Pumpzelle 3 als auch die Überwachungszelle 5 der ersten Kammer 11 gegenüberliegen, während sowohl die zweite Pumpzel le 4 als auch die Sensorzelle 2 der zweiten Kammer 12 gegenü berliegen. Die an die erste Pumpzelle 3 angelegte Spannung wird auf der Grundlage ihres eigenen Pumpstroms gesteuert. Die an die zweite Pumpzelle 4 angelegte Spannung wird auf der Grundlage des Begrenzerstroms der Überwachungszelle 5 gesteu ert.

Es ist jedoch möglich, eine Überwachungszelle zwischen der ersten Kammer 11 und der Referenzgaskammer 13 vorzusehen. In diesem Fall kann eine Ausgabe dieser Überwachungszelle zum Steuern der an die erste Pumpzelle 3 angelegten Spannung ver wendet werden, so daß die Überwachungszelle eine konstante elektromotorische Kraft erzeugen kann.

In Übereinstimmung mit dem Gasmeßelement 1 des achten Ausfüh rungsbeispiels wird es möglich, die NO_x-Konzentration in dem gemessenen Gas genau zu erfassen, ohne daß dies durch den Offset des Sensorzellenstroms ungünstig beeinflußt wird, wäh rend ein geeignetes Ansprechverhalten aufrechterhalten wird.

Wie somit vorstehend beschrieben wurde, wird ein Zielgas auf einanderfolgend in eine erste und eine zweite Kammer 11 und 12, welche durch einen engen Kanal 120 verbunden sind, einge leitet. Eine erste Überwachungszelle 5, die auf einer Fläche der ersten Kammer 11 vorgesehen ist, erzeugt eine eine Sauer stoffkonzentration in der ersten Kammer repräsentierende elektromotorische Kraft. Eine zweite Überwachungszelle 6, die auf einer Fläche der zweiten Kammer 12 vorgesehen ist, er zeugt eine eine Sauerstoffkonzentration in der zweiten Kammer repräsentierende elektromotorische Kraft. Eine an eine Pump zelle 3 angelegte Spannung wird auf der Grundlage der aus der ersten und der zweiten Überwachungszelle 5, 6 erhaltenen elektromotorischen Kräfte gesteuert.

Claims

1. Gasmeßelement, gekennzeichnet durch:
eine erste und eine zweite Kammer (11, 12), in welche ein zu messendes Zielgas eingeleitet wird;
einen ersten Diffusionswiderstandskanal (110), der die erste Kammer mit der Außenseite des Gasmeßelements verbindet;
einen zweiten Diffusionswiderstandskanal (120), der die erste Kammer mit der zweiten Kammer verbindet;
eine Pumpzelle (3), die auf einer die erste Kammer (11) definierenden Fläche vorgesehen ist, zum Pumpen von Sauer stoff in Übereinstimmung mit einer angelegten Spannung;
eine Sensorzelle (2), die auf einer die zweite Kammer (12) definierenden Fläche vorgesehen ist und auf das Anlegen einer vorbestimmten Spannung zum Erzeugen eines eine bestimm te Gaskonzentration in dem Zielgas repräsentierenden Sensor stroms anspricht, wobei
eine erste Überwachungszelle (5) auf einer die erste Kammer (11) definierenden Fläche vorgesehen ist zum Erzeugen einer eine Sauerstoffkonzentration in der ersten Kammer re präsentierenden elektromotorischen Kraft;
eine zweite Überwachungszelle (6) auf einer die zweite Kammer (12) definierenden Fläche vorgesehen ist zum Erzeugen einer eine Sauerstoffkonzentration in der zweiten Kammer re präsentierenden elektromotorischen Kraft; und
die an die Pumpzelle (3) angelegte Spannung auf der Grundlage der aus der ersten und der zweiten Überwachungszel le (5, 6) erhaltenen elektromotorischen Kräfte gesteuert wird.

2. Gasmeßelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Überwachungszelle (5) und die zweite Überwa chungszelle (6) parallel miteinander verbunden sind.

3. Gasmeßelement, gekennzeichnet durch:
eine erste und eine zweite Kammer (11, 12), in welche ein zu messendes Zielgas eingeleitet wird;
einen ersten Diffusionswiderstandskanal (110), der die erste Kammer mit der Außenseite des Gasmeßelements verbindet;
einen zweiten Diffusionswiderstandskanal (120), der die erste Kammer mit der zweiten Kammer verbindet;
eine Pumpzelle (3), die auf einer die erste Kammer (11) definierenden Fläche vorgesehen ist, zum Pumpen von Sauer stoff in Übereinstimmung mit einer angelegten Spannung;
eine Sensorzelle (2), die auf einer die zweite Kammer (12) definierenden Fläche vorgesehen ist und auf das Anlegen einer vorbestimmten Spannung zum Erzeugen eines eine bestimm te Gaskonzentration in dem Zielgas repräsentierenden Sensor stroms anspricht, wobei
eine Überwachungszelle (500) auf entweder einer die er ste Kammer (11) definierenden Fläche oder einer die zweite Kammer (12) definierenden Fläche vorgesehen ist; und
die an die Pumpzelle (3) angelegte Spannung auf der Grundlage eines bei Anlegen einer Spannung an die Überwa chungszelle (500) erhaltenen Begrenzerstroms gesteuert wird.

4. Gasmeßelement, gekennzeichnet durch
eine erste und eine zweite Kammer (11, 12), in welche ein zu messendes Zielgas eingeleitet wird;
einen ersten Diffusionswiderstandskanal (110), der die erste Kammer mit der Außenseite des Gasmeßelements verbindet;
einen zweiten Diffusionswiderstandskanal (120), der die erste Kammer mit der zweiten Kammer verbindet;
eine Sensorzelle (2), die auf einer die zweite Kammer (12) definierenden Fläche vorgesehen ist und auf das Anlegen einer vorbestimmten Spannung zum Erzeugen eines eine bestimm te Gaskonzentration in dem Zielgas repräsentierenden Sensor stroms anspricht, wobei
eine erste Pumpzelle (3) auf einer die erste Kammer (11) definierenden Fläche vorgesehen ist, zum Pumpen von Sauer stoff in Übereinstimmung mit einer angelegten Spannung;
eine zweite Pumpzelle (4) auf einer die zweite Kammer (12) definierenden Fläche vorgesehen ist, zum Pumpen von Sau erstoff in Übereinstimmung mit einer angelegten Spannung;
ein Pumpstrom von zumindest der ersten oder zweiten Pumpzelle (3, 4) in Übereinstimmung mit dem Pumpen von Sauer stoff erzeugt wird; und
der Pumpstrom zum Steuern der an die erste oder zweite Pumpzelle (3, 4) angelegten Spannung verwendet wird.

5. Gasmeßelement, gekennzeichnet durch
eine erste und eine zweite Kammer (11, 12), in welche ein zu messendes Zielgas eingeleitet wird;
einen ersten Diffusionswiderstandskanal (110), der die erste Kammer mit der Außenseite des Gasmeßelements verbindet;
einen zweiten Diffusionswiderstandskanal (120), der die erste Kammer mit der zweiten Kammer verbindet;
eine Sensorzelle (2), die auf einer die zweite Kammer (12) definierenden Fläche vorgesehen ist und auf das Anlegen einer vorbestimmten Spannung zum Erzeugen eines eine bestimm te Gaskonzentration in dem Zielgas repräsentierenden Sensor stroms anspricht, wobei
eine erste Pumpzelle (3) auf einer die erste Kammer (11) definierenden Fläche vorgesehen ist, zum Pumpen von Sauer stoff in Übereinstimmung mit einer angelegten Spannung;
eine zweite Pumpzelle (4) auf einer die zweite Kammer (12) definierenden Fläche vorgesehen ist, zum Pumpen von Sau erstoff in Übereinstimmung mit einer angelegten Spannung;
eine Überwachungszelle (5, 6) auf zumindest einer die erste Kammer (11) definierenden Fläche oder einer die zweite Kammer (12) definierenden Fläche vorgesehen ist; und
die an zumindest die erste oder die zweite Pumpzelle (3, 4) angelegte Spannung auf der Grundlage eines bei Anlegen ei ner Spannung an die Überwachungszelle (5, 6) erhaltenen Be grenzerstroms gesteuert wird.

6. Gasmeßelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß jede Pumpzelle (3, 4) auf einer eine Re ferenzgaskammer (13) definierenden Fläche vorgesehen ist.