DE102004014145A1

DE102004014145A1 - Gaskonzentrationsmessgerät

Info

Publication number: DE102004014145A1
Application number: DE102004014145A
Authority: DE
Inventors: Hiroyuki Kariya Sakai; Yoshikazu Kariya Hatada; Takashi Kariya Kojima
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2003-03-24
Filing date: 2004-03-23
Publication date: 2004-10-21
Also published as: JP2004286685A; US20040188250A1

Abstract

Ein Gaskonzentrationssensor (100) umfasst ein aus einer Pumpzelle (110), einer Überwachungszelle (120) und einer Sensorzelle (130) bestehendes Sensorelement. Diese Zellen (110 bis 130) werden von einem Heizelement (151) erwärmt und in einem aktivierten Zustand gehalten. Eine Sensor-Steuereinheit (10) misst einen in dem Sensorelement in Abhängigkeit von der Konzentration eines spezifischen Gasbestandteils fließenden schwachen Elementstrom und führt dem Heizelement (151) intermittierend elektrischen Strom zu. Die Sensor-Steuereinheit (10) ist über elektrische Leitungen (H1 bis H4) mit dem Gaskonzentrationssensor (100) elektrisch verbunden. Hierbei sind die den schwachen Elementstrom führenden Leitungen (H2, H3) und die Heizelementleitung (H4) zusammengefasst. Die elektrischen Leitungen (H2, H3) besitzen eine Abschirmungsschicht, die eine den Elementstrom führende Kernader umgibt und an Massepotential gelegt ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Gaskonzentrationsmessgerät zur Messung der Gaskonzentration eines spezifischen Gasbestandteils in einem Messgas.
Ein Gaskonzentrationsmessgerät dieser Art umfasst z.B. einen Gaskonzentrationssensor mit Grenzstrombildung bzw. Grenzstromverhalten, der in den Abgasen der Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs enthaltene Stickoxide (NOx) misst. Dieser Gaskonzentrationssensor weist z.B. ein Sensorelement auf, das aus einer Pumpzelle, einer Sensorzelle und einer Überwachungszelle besteht. Die Pumpzelle dient zum Abführen bzw. Abpumpen von Sauerstoff aus den in einer Kammer befindlichen Abgasen oder zum Hineinpumpen von Sauerstoff in die in der Kammer befindlichen Abgase sowie zur Ermittlung der Sauerstoffkonzentration in den Abgasen. Die Sensorzelle dient zur Messung der NOx-Konzentration (d.h., der Konzentration eines spezifischen Gasbestandteils) in den Abgasen, die die Pumpzelle passiert haben, während die Überwachungszelle zur Ermittlung der verbleibenden Konzentration von Restsauerstoff in der Kammer dient, nachdem die Abgase die Pumpzelle passiert haben.

Ein solcher Gaskonzentrationssensor kann eine normale Messung der Sauerstoffkonzentration oder der NOx-Konzentration nur dann durchführen, wenn das Sensorelement in einem bestimmten Aktivierungszustand gehalten wird. Zu diesem Zweck ist in der Nähe des Sensorelements im allgemeinen ein Heizelement zur Erwärmung des Sensorelements angeordnet, mit dessen Hilfe das Sensorelement in diesem Aktivierungszustand gehalten wird. Hierbei wird das Heizelement z.B. in Abhängigkeit vom überwachten Widerstandswert des Sensorelements intermittierend derart mit elektrischem Strom versorgt, dass der Element-Widerstandswert auf einen der Aktivierungstemperatur entsprechenden Sollwert abgestimmt bzw. eingeregelt wird (siehe japanische Patent-Offenlegungsschrift 2000-171 435).

Bei einem als NOx-Sensor dienenden Gaskonzentrationssensor wird hierbei in den Abgasen enthaltenes NOx an einer in Bezug auf NOx reaktionsfähigen Elektrode seiner Sensorzelle aufgespalten, sodass Sauerstoffionen in der Sensorzelle fließen. Eine Messung des hierbei in der Sensorzelle fließenden Stroms ermöglicht somit die Messung der NOx-Konzentration. Der Sensorzellenstrom ist jedoch ein schwacher Strom in der Größenordnung von Nanoampere (nA). Zur Messung dieses schwachen Stroms besitzt eine Sensor-Steuerschaltung üblicherweise einen Strommesswiderstand mit einem hohen Widerstandswert (von z.B. 1,5 M·Ω). Die elektrische Stromversorgung des Heizelements wird dagegen von einer Heizelement-Ansteuerschaltung intermittierend durchgeführt, wobei in diesem Falle eine EIN/AUS-Steuerung des in der Größenordnung von Ampere (A) liegenden Heizelementstroms erfolgt.

Im allgemeinen sind die Sensor-Steuerschaltung und die Heizelement-Ansteuerschaltung auf dem gleichen Schaltungssubstrat angebracht, das zur Bildung einer Sensor-Steuereinheit in einem Metallgehäuse oder dergleichen angeordnet ist. Die Sensor-Steuereinheit und der Gaskonzentrationssensor sind hierbei über eine Verbindungsleitungseinheit elektrisch miteinander verbunden, d.h., über die Verbindungsleitungseinheit wird das Fließen des Sensorzellenstrom oder eines anderen Element-Stromsignals sowie des Heizelement-Stromsignals zwischen der Sensor-Steuereinheit und dem Gaskonzentrationssensor ermöglicht. Das diese Verbindungsleitungseinheit bildende elektrische Kabel besitzt eine Ummantelung bzw. einen Kabelmantel aus einem eine ausreichende Wärmebeständigkeit aufweisenden Kunststoff, Kunstharz oder dergleichen. Dieser Kabelmantel besteht z.B. aus einer Siliconglasumflechtung oder aus siliconisiertem EPDM-Kautschuk, Nylon, Polyamid oder einem anderen Kunststoff bzw. Kunstharzmaterial.

Da die Verbindungsleitungseinheit zur elektrischen Verbindung der Sensor-Steuereinheit mit dem Gaskonzentrationssensor dient, umfasst sie eine elektrische Leitung für die Messung des schwachen Elementstroms in der Größenordnung von nA, sowie eine elektrische Leitung für die Zuführung des Heizelementstroms in der Größenordnung von A (Ampere), die üblicherweise in der Verbindungseinheit zusammengefasst sind. Bei einem einfachen Vergleich der Ströme ergibt sich somit, dass der Heizelementstrom das 10⁹-fache des Elementstroms beträgt. Die Elementstromleitung ist daher in Bezug auf eine Störeinkopplung bzw. Störsignaleinstreuung (z.B. eine induktive und kapazitive Störeinkopplung) sehr empfindlich, die bei der EIN/AUS-Umschaltung der Stromversorgung des Heizelements entsteht. Hierdurch wird die für die NOx-Konzentrationsmessung erforderliche Messgenauigkeit in Frage gestellt. Dieses Problem lässt sich durch Hochfrequenztests z.B. in Form von sog. EMV-Tests bezüglich der elektromagnetischen Verträglichkeit bestätigen. Darüber hinaus sind Kraftfahrzeuge in jüngerer Zeit mit einer Vielzahl von elektrischen Geräten ausgestattet, die in Bezug auf die Element-Stromsignale nachteilige Störquellen darstellen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Gaskonzentrationsmessgerät anzugeben, mit dessen Hilfe eine genaue Messung des Elementstroms möglich ist, sodass eine höhere Messgenauigkeit bei der Ermittlung der Gaskonzentration erzielbar ist.

Diese Aufgabe wird mit den in den Patentansprüchen angegebenen Mitteln gelöst.

Das erfindungsgemäße Gaskonzentrationsmessgerät umfasst einen Gaskonzentrationssensor, der ein Sensorelement mit einem Festelektrolytsubstrat zur Messung der Gaskonzentration eines spezifischen Bestandteils eines Messgases und einem Heizelement zur Erwärmung des Sensorelements auf einen vorgegebenen Aktivierungszustand aufweist, eine Sensor-Steuereinheit zur Messung eines in dem Sensorelement in Abhängigkeit von der Konzentration des spezifischen Gasbestandteils fließenden, schwachen Elementstroms und intermittierenden Zuführung von elektrischem Strom zu dem Heizelement, und eine Verbindungsleitungseinheit zur Herstellung der elektrischen Verbindung zwischen dem Gaskonzentrationssensor und der Sensor-Steuereinheit.

Hierbei ist das erfindungsgemäße Gaskonzentrationsmessgerät dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsleitungseinheit eine Element-Stromleitung zur Messung des Elementstroms und eine Heizelement-Leitung zur Stromversorgung des Heizelements aufweist, und dass eine Kernader der Element-Stromleitung, über die der Elementstrom fließt, von einer an Massepotential gelegten Abschirmungsschicht umgeben ist.

Da es sich bei dem in der Element-Stromleitung fließenden Elementstrom um einen schwachen Strom handelt, tritt durch die über die Heizelementleitung erfolgende induktive oder kapazitive Störeinkopplung eine schwerwiegende Beeinflussung des Elementstroms auf.

Durch die die Kernader der Element-Stromleitung in der vorstehend beschriebenen Weise umgebende Abschirmungsschicht wird die durch diese Störungen auftretende unzulässige Beeinflussung jedoch wirksam unterdrückt. Erfindungsgemäß ist somit auch dann eine ausreichende Störfestigkeit bzw. Störunempfindlichkeit erzielbar, wenn ein Kraftfahrzeug mit einer Vielzahl elektrischer Geräte (d.h., Störquellen) ausgestattet ist. Auf diese Weise wird eine genaue Messung des Elementstroms ermöglicht und damit eine höhere Messgenauigkeit bei der Ermittlung der Gaskonzentration erhalten.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Element-Stromleitung eine die Kernader umgebende Ummantelungsschicht auf, wobei die Abschirmungsschicht die Ummantelungsschicht umgibt. Wenn die Ummantelungsschicht zwischen der Kernader und der Abschirmungsschicht angeordnet ist, besteht jedoch die Möglichkeit, dass der Elementstrom auf Grund der zwischen der Kernader und der Abschirmschicht bestehenden Potentialdifferenz zum Auftreten von Leckströmen über die Ummantelungsschicht führt. Zur Unterdrückung derartiger Leckverluste des Elementstroms ist der spezifische Volumen-Widerstand bzw. Durchgangswiderstand der Ummantelungsschicht vorzugsweise gleich oder größer als 1,0 × 10¹² (Ω·cm).

Zur Gewährleistung der vorstehend beschriebenen Eigenschaften und Kennwerte der Ummantelungsschicht besteht die Ummantelungsschicht vorzugsweise aus Teflon (Warenzeichen). Der für die Ummantelungsschicht erforderliche spezifische Durchgangswiderstand ist zwar in Abhängigkeit von der erforderlichen Messgenauigkeit für den Elementstrom oder der Leitungslänge oder anderen Faktoren unterschiedlich, jedoch besitzt Teflon (Warenzeichen) einen spezifischen Volumen-Widerstand bzw. Durchgangswiderstand, der gleich oder größer als 1,0 × 10¹⁸ (Ω·cm) ist und somit dem erforderlichen spezifischen Durchgangswiderstand der Ummantelungsschicht in ausreichendem Maße entspricht. Durch Verwendung einer aus Teflon bestehenden Ummantelungsschicht lassen sich somit Leckverluste des Elementstroms zuverlässig vermeiden.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst die Element-Stromleitung eine Vielzahl von Kernadern, die gemeinsam von der Abschirmungsschicht umgeben sind. Dies vereinfacht die Anordnung einer Vielzahl von Kernadern in einer Element-Stromleitung. Da es sich bei dem in den von der Abschirmungsschicht gemeinsam umgebenen jeweiligen Kernadern fließenden Strom um einen schwachen Strom handelt, ergibt sich hierbei keine Störeinwirkung bei anderen Adern.

Bei einer praktischen Ausführung der Element-Stromleitung umfasst die Element-Stromleitung vorzugsweise zumindest eine von einer Ummantelungsschicht umgebene Kernader, wobei die Abschirmungsschicht die Ummantelungsschicht umgibt und die Abschirmungsschicht von einer Schutzschicht umgeben ist. Darüber hinaus kann die Element-Stromleitung vorzugsweise eine Vielzahl von Kernadern umfassen, die jeweils von einer Ummantelungsschicht umgeben sind, wobei die Abschirmungsschicht die Vielzahl der Kernadern umgibt und eine Schutzschicht die Abschirmungsschicht umgibt.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Masseverbindung, über die die Abschirmungsschicht der Element-Stromleitung an Massepotential liegt, getrennt von der Masseverbindung ausgeführt, über die das Heizelement an Massepotential liegt. Hierdurch wird sehr wirksam verhindert, dass im Heizelement auftretende Schwankungen des Massepotentials (Referenzpotentials) das Massepotential der Abschirmungsschicht unzulässig beeinflussen.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Verbindungsleitungseinheit mit der Sensor-Steuereinheit über ein Verbindungselement verbunden, wobei die Außenseite des Verbindungselements von einer Abschirmung umgeben ist. Hierdurch wird eine zweckmäßige Anordnung erhalten, durch die sich die Störfestigkeit bzw. Störunempfindlichkeit des Verbindungsgliedes verbessern und damit auch die Messgenauigkeit bei der Ermittlung der Gaskonzentration erhöhen lässt.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein zur Verbindung der Element-Stromleitung mit der Sensor-Steuereinheit dienendes Element-Stromverbindungsglied getrennt von einem zur Verbindung der Heizelement-Leitung mit der Sensor-Steuereinheit dienenden Heizelement-Verbindungsglied angeordnet. Hierdurch wird eine zweckmäßige Anordnung erhalten, mit deren Hilfe sich die Störfestigkeit bzw. Störunempfindlichkeit des Element-Stromverbindungsgliedes (Element-Steckverbindungsglieds) verbessern und damit die Messgenauigkeit bei der Ermittlung der Gaskonzentration erhöhen lässt. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, zur weiteren Verbesserung der Störfestigkeit eine das Element-Stromverbindungsglied umgebende Abschirmung vorzusehen.

Weiterhin sind gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ein in der Sensor-Steuereinheit enthaltener Steuerschaltungsabschnitt in einem geschlossenen Raum eines aus einem elektrisch leitenden Material bestehenden und an Massepotential gelegten Gehäuses angeordnet und ein Durchführungskondensator an einem Wandabschnitt des Gehäuses angebracht, wobei ein mit der Verbindungsleitungseinheit elektrisch verbundener Verbindungsschaltungsabschnitt außerhalb des geschlossenen Raums angeordnet ist und der Verbindungsschaltungsabschnitt und der Steuerschaltungsabschnitt über den Durchführungskondensator elektrisch miteinander verbunden sind. Durch diese Anordnung lassen sich externe hochfrequente Störschwingungen, die sich der Verbindungsleitungseinheit überlagern, mit Hilfe des Durchführungskondensators unterdrücken. Da außerdem der Steuerschaltungsabschnitt der Sensor-Steuereinheit in dem geschlossenen Raum getrennt von dem Verbindungsschaltungsabschnitt (d.h., der Verbindungsleitungseinheit) angeordnet ist, ist er keiner nachteiligen Beeinflussung durch externe Störungen ausgesetzt. Hierbei verarbeitet die Sensor-Steuereinheit einen schwachen Elementstrom, der die Konzentration eines spezifischen Gasbestandteils angibt. Die vorstehend beschriebene Anordnung ist insbesondere in Bezug auf eine Unterdrückung einer unzulässigen Beeinflussung durch hochfrequente Störschwingungen sehr effektiv, sodass eine genaue Messung des Elementstroms in Verbindung mit einer Verbesserung der Messgenauigkeit bei der Messung der Gaskonzentration erzielbar ist.

Diesbezüglich wird erfindungsgemäß ein weiteres Gaskonzentrationsmessgerät angegeben, das einen Gaskonzentrationssensor, der ein Sensorelement mit einem Festelektrolytsubstrat zur Messung der Gaskonzentration eines spezifischen Bestandteils eines Messgases und einem Heizelement zur Erwärmung des Sensorelements auf einen vorgegebenen Aktivierungszustand aufweist, eine Sensor-Steuereinheit zur Messung eines in dem Sensorelement in Abhängigkeit von der Konzentration des spezifischen Gasbestandteils fließenden, schwachen Elementstroms und intermittierenden Zuführung von elektrischem Strom zu dem Heizelement, und eine Verbindungsleitungseinheit zur Herstellung der elektrischen Verbindung zwischen dem Gaskonzentrationssensor und der Sensor-Steuereinheit umfasst, wobei ein in der Sensor-Steuereinheit enthaltener Steuerschaltungsabschnitt in einem geschlossenen Raum eines aus einem elektrisch leitenden Material bestehenden und an Massepotential gelegten Gehäuses angeordnet ist, ein Durchführungskondensator an einem Wandabschnitt des Gehäuses angebracht ist, ein mit der Verbindungsleitungseinheit elektrisch verbundener Verbindungsschaltungsabschnitt außerhalb des geschlossenen Raums angeordnet ist, und der Verbindungsschaltungsabschnitt und der Steuerschaltungsabschnitt über den Durchführungskondensator elektrisch miteinander verbunden sind.

Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind ein aus einem elektrisch leitenden Material bestehendes und an Massepotential gelegtes Gehäuse durch eine aus einem elektrisch leitenden Material bestehende und an Massepotential gelegte Trennplatte in zwei Kammern unterteilt und ein Durchführungskondensator an der Trennplatte angeordnet, wobei ein in der Sensor-Steuereinheit enthaltener Steuerschaltungsabschnitt und ein mit der Verbindungsleitungseinheit elektrisch verbundener Verbindungsschaltungsabschnitt jeweils in einer der beiden Kammern angeordnet und der Steuerschaltungsabschnitt und der Verbindungsschaltungsabschnitt über den Durchführungskondensator elektrisch miteinander verbunden sind.

Durch diese Anordnung lassen sich externe hochfrequente Störschwingungen, die sich der Verbindungsleitungseinheit überlagern, mit Hilfe des Durchführungskondensators unterdrücken. Da außerdem der Steuerschaltungsabschnitt der Sensor-Steuereinheit getrennt von dem Verbindungsschaltungsabschnitt in einer anderen Kammer angeordnet ist, ist er keinen unzulässigen Beeinflussungen durch externe Störungen ausgesetzt. Hierbei verarbeitet die Sensor-Steuereinheit einen schwachen Elementstrom, der die Konzentration eines spezifischen Gasbestandteils angibt. Die vorstehend beschriebene Anordnung ist insbesondere in Bezug auf eine Unterdrückung der nachteiligen Beeinflussung durch externe hochfrequente Störschwingungen sehr effektiv, sodass sich eine genaue Messung des Elementstroms in Verbindung mit einer Verbesserung der Messgenauigkeit bei der Messung der Gaskonzentration erzielen lässt.

Diesbezüglich wird erfindungsgemäß ein weiteres Gaskonzentrationsmessgerät angegeben, das einen Gaskonzentrationssensor, der ein Sensorelement mit einem Festelektrolytsubstrat zur Messung der Gaskonzentration eines spezifischen Bestandteils eines Messgases und einem Heizelement zur Erwärmung des Sensorelements auf einen vorgegebenen Aktivierungszustand aufweist, eine Sensor-Steuereinheit zur Messung eines in dem Sensorelement in Abhängigkeit von der Konzentration des spezifischen Gasbestandteils fließenden, schwachen Elementstroms und intermittierenden Zuführung von elektrischem Strom zu dem Heizelement, und eine Verbindungsleitungseinheit zur Herstellung der elektrischen Verbindung zwischen dem Gaskonzentrationssensor und der Sensor-Steuereinheit umfasst, wobei ein aus einem elektrisch leitenden Material bestehendes und an Massepotential gelegtes Gehäuse durch eine aus einem elektrisch leitenden Material bestehende und an Massepotential gelegte Trennplatte in zwei Kammern unterteilt ist, ein Durchführungskondensator an der Trennplatte angebracht ist, ein in der Sensor-Steuereinheit enthaltener Steuerschaltungsabschnitt und ein mit der Verbindungsleitungseinheit elektrisch verbundener Verbindungsschaltungsabschnitt jeweils in einer der beiden Kammern angeordnet sind, und der Steuerschaltungsabschnitt und der Verbindungsschaltungsabschnitt über den Durchführungskondensator elektrisch miteinander verbunden sind.

Vorzugsweise sind der Steuerschaltungsabschnitt und der Verbindungsschaltungsabschnitt auf dem gleichen Schaltungssubstrat angeordnet, wobei die Trennplatte auf dem Schaltungssubstrat derart angeordnet ist, dass sie vertikal zwischen dem Steuerschaltungsabschnitt und dem Verbindungsschaltungsabschnitt verläuft. In diesem Falle ist vorzugsweise die Oberfläche, auf der die Verbindungsleitungseinheit mit dem Schaltungssubstrat verbunden ist, mit der Oberfläche identisch, auf der die Trennplatte angeordnet ist.

Vorzugsweise beträgt die Kapazität des Durchführungskondensators 1000 pF oder mehr.

Bei Verwendung eines NOx-Sensors zur Messung von NOx in den Abgasen eines Kraftfahrzeugs besitzt der NOx-Sensor z.B. eine Pumpzelle zur Regelung des in eine Kammer eingeführten oder aus der Kammer abgeführten Sauerstoffs sowie eine Sensorzelle zur Aufspaltung von NOx in dem Gas, das die Pumpzelle passiert hat, und zur Messung der NOx-Konzentration auf der Basis der Sauerstoffionenmenge, die sich in Abhängigkeit von der Aufspaltung des NOx bewegt. Der hierbei in der Sensorzelle fließende Strom stellt einen schwachen Strom in der Größenordnung von nA dar. Die Erfindung kann vorzugsweise bei einem NOx-Sensor dieser Art Verwendung finden.

Vorzugsweise weist das Sensorelement hierbei eine erste Zelle, die Sauerstoff aus einem in einer Kammer befindlichen Messgas abführt oder in das in der Kammer befindliche Messgas hineinpumpt, und eine zweite Zelle auf, die den spezifischen Bestandteil des Messgases aufspaltet, nachdem das Messgas die erste Zelle passiert hat, und die Gaskonzentration des spezifischen Gasbestandteils auf der Basis der sich bei der Aufspaltung des spezifischen Gasbestandteils bewegenden Sauerstoffionenmenge ermittelt, wobei die Sensor-Steuereinheit einen zumindest in der zweiten Zelle fließenden schwachen Strom misst.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
1 ein Blockschaltbild eines Gaskonzentrationsmessgeräts gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
2A eine perspektivische Ansicht von Einzelheiten des Aufbaus einer Sensor-Steuereinheit gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
2B eine Querschnittsansicht der Sensor-Steuereinheit entlang der Linie X-X gemäß 2A,
3 eine perspektivische Ansicht des Aufbaus einer elektrischen Leitung gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
4 eine perspektivische Ansicht des Aufbaus einer weiteren elektrischen Leitung gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
5A bis 5C Querschnittsansichten von verschiedenen Ausführungsbeispielen der elektrischen Leitung gemäß bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung,
6A eine Querschnittsansicht des Aufbaus eines Gaskonzentrationssensors gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
6B eine Querschnittsansicht des Gaskonzentrationssensors entlang der Linie A-A gemäß 6A,
7 eine Ansicht des Gaskonzentrationssensors,
8 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung des Volumen-Widerstands,
9A und 9B schematische Darstellungen zur Veranschaulichung des Volumen-Widerstands,
10 eine Querschnittsansicht des Aufbaus eines mit einer Abschirmung versehenen Verbindungsgliedes,
11A eine perspektivische Ansicht von Einzelheiten des Aufbaus einer modifizierten Sensor-Steuereinheit gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
11B eine Querschnittsansicht der Sensor-Steuereinheit entlang der Linie X-X gemäß 11A.
Ein Gaskonzentrationsmessgerät gemäß einem nachstehend näher beschriebenen Ausführungsbeispiel findet z.B. bei der Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs Verwendung. Dieses Gaskonzentrationsmessgerät umfasst einen Gaskonzentrationssensor mit Grenzstrombildung bzw. Grenzstromverhalten, mit dessen Hilfe sich die Sauerstoffkonzentration in einem als Messgas dienenden Abgas oder die NOx-Konzentration als Gaskonzentration eines spezifischen Gasbestandteils messen lässt.
In den 6 und 7 ist der Aufbau des Gaskonzentrationssensors veranschaulicht, der eine als "erste Zelle" dienende Pumpzelle, eine als "zweite Zelle" dienende Sensorzelle sowie eine als "dritte Zelle" dienende Überwachungszelle aufweist, die gemeinsam eine aus drei Zellen bestehende Anordnung bilden. Der Gaskonzentrationssensor ist ein sog. kombinierter Gassensor, mit dessen Hilfe gleichzeitig die Sauerstoffkonzentration und die NOx-Konzentration in den Abgasen gemessen werden kann (obwohl es auch möglich ist, diesen Sensor nur als NOx-Sensor zu verwenden). Dieses Ausführungsbeispiel basiert auf einem Sensorelement, bei dem die vorstehend beschriebene, aus drei Zellen bestehende Anordnung Verwendung findet. Die Überwachungszelle kann auch als zweite Pumpzelle bezeichnet werden, da ihre Funktion in ähnlicher Weise wie bei der Pumpzelle darin besteht, den Sauerstoff aus dem Gas abzuführen. 6A stellt eine Querschnittsansicht des Aufbaus am vorderen Ende des Sensorelements dar, während 6B eine Querschnittsansicht entlang der Linie A-A gemäß 6A darstellt. 7 zeigt eine Gesamtansicht des Gaskonzentrationssensors.
Wie in 7 dargestellt ist, umfasst der Gaskonzentrationssensor 100 am entfernteren Ende ein Gehäuse 101, ein Gehäuse 102 sowie am näher gelegenen Ende ein Gehäuse 103 und besitzt insgesamt eine zylindrische Form. Weiterhin umfasst der Gaskonzentrationssensor 100 eine Gaskammer und eine Luftkammer, die in dem Sensor ausgebildet sind. In die Gaskammer wird ein Messgas eingeführt, während in die Luftkammer Luft eingeleitet wird. Ferner ist in dem Sensor ein Sensorelement 105 mit länglicher Form angeordnet.
Wie in 6 veranschaulicht ist, besitzt der Gaskonzentrationssensor 100 (das Sensorelement 105) zwei Festelektrolytsubstrate 141 und 142, die jeweils aus einem Sauerstoffionen leitenden Material bestehen. Ein aus Aluminiumoxid oder einem vergleichbaren Isolationsmaterial bestehendes Distanzstück 143 ist zwischen diesen Festelektrolytsubstraten 141 und 142 derart angeordnet, dass die Festelektrolytsubstrate 141 und 142 in Form einer Schichtanordnung übereinander laminiert sind und zueinander einen vorgegebenen Abstand aufweisen, wie dies in der Zeichnung dargestellt ist. Das obere Festelektrolytsubstrat 141 besitzt ein Nadelloch 141a, über das die im Bereich des Sensorelements 105 befindlichen Abgase in die erste Kammer 144 geführt werden. Die erste Kammer 144 steht über eine Öffnung 145 mit einer zweiten Kammer 146 in Verbindung. An der Außenseite ist eine poröse Diffusionsschicht 147 vorgesehen.
Das untere Festelektrolytsubstrat 142 umfasst eine Pumpzelle 110, die direkt in der ersten Kammer 144 angeordnet ist. Die Pumpzelle 110 hat die Funktion, Sauerstoff aus dem in die erste Kammer 144 geleiteten Abgasen abzuführen oder in die in der ersten Kammer 144 befindlichen Abgase hinein zu pumpen. Darüber hinaus hat die Pumpzelle 110 die Funktion, die Sauerstoffkonzentration in den Abgasen während der Abführung oder während des Hineinpumpens des Sauerstoffs zu messen. Hierbei weist die Pumpzelle 110 zwei Elektroden 111 und 112 auf, die an der Oberseite und der Unterseite des Festelektrolytsubstrats 142 angeordnet sind. Die in der ersten Kammer 144 angeordnete obere Elektrode 111 ist eine in Bezug auf NOx inaktive bzw. nicht reaktionsfähige Elektrode (d.h., eine Elektrode, die keine Aufspaltung des NOx-Gases herbeiführen kann). Die Pumpzelle 110 bewirkt eine Aufspaltung des in der ersten Kammer 144 befindlichen Sauerstoffs und führt den aufspalteten Sauerstoff über die Elektrode 112 in einen Luftkanal 150 ab.
Weiterhin weist das obere Festelektrolytsubstrat 141 eine Überwachungszelle 120 sowie eine Sensorzelle 130 auf, die direkt in der zweiten Kammer 146 angeordnet sind. Hierbei erzeugt die Überwachungszelle 120 eine EMK bzw.
Quellenspannung in Abhängigkeit von der verbleibenden Restkonzentration an Sauerstoff in der zweiten Kammer 146 oder erzeugt ein Stromausgangssignal in Abhängigkeit von einer angelegten Spannung, während die Sensorzelle 130 die NOx-Konzentration in dem Gas misst, das die Pumpzelle 110 passiert hat.
Bei diesem Ausführungsbeispiel sind in der in 6B veranschaulichten Weise die Überwachungszelle 120 und die Sensorzelle 130 parallel zueinander angeordnet, sodass sie in Bezug auf die Strömungsrichtung des Abgases in der gleichen Position angeordnet sind. Die Zellen 120 und 130 besitzen eine gemeinsame Elektrode 122, die in einem Luftkanal 148 angeordnet ist, d.h., die Überwachungszelle 120 wird von dem Festelektrolytsubstrat 141 und zwei, an den gegenüberliegenden Oberflächen des Festelektrolytsubstrats 141 angeordneten Elektroden (d.h., der Elektrode 121 und der gemeinsamen Elektrode 122) gebildet, während die Sensorzelle 130 von dem Festelektrolytsubstrat 141 und zwei, an den einander gegenüberliegenden Oberflächen des Festelektrolytsubstrats 141 angeordneten Elektroden (d.h., der Elektrode 131 und der gemeinsamen Elektrode 122) gebildet wird. Die Elektrode 121 (d.h., die in der zweiten Kammer 146 angeordnete Elektrode) der Überwachungszelle 120 besteht aus Au-Pt oder einem anderen Edelmetall, das in Bezug auf das NOx-Gas inaktiv bzw. nicht reaktionsfähig ist. Die Elektrode 131 (d.h., die in der zweiten Kammer 146 angeordnete Elektrode) der Sensorzelle 130 besteht dagegen aus Platin (Pt), Rhodium (Rh) oder einem anderen Edelmetall, das in Bezug auf das NOx-Gas reaktionsfähig ist.
Unter dem Festelektrolytsubstrat 142 (gemäß Zeichnung) ist eine aus Aluminiumoxid oder dergleichen bestehende Isolierschicht 149 angeordnet. Die Isolierschicht 149 und das Festelektrolytsubstrat 142 bilden gemeinsam den Luftkanal 150. Außerdem ist in die Isolierschicht 149 ein Heizelement 151 eingebettet, das Wärme zur Erhöhung der Temperatur des Sensorkörpers erzeugt, d.h., das Heizelement 151 hat die Funktion, das gesamte Sensorelement einschließlich der Pumpzelle 110, der Überwachungszelle 120 und der Sensorzelle 130 zu aktivieren. Hierbei wird das Heizelement 151 von der Batterie eines Kraftfahrzeugs zur Erzeugung von Wärmeenergie mit Strom versorgt.
Bei dem vorstehend beschriebenen Gaskonzentrationssensor 100 gelangen die Abgase über die poröse Diffusionsschicht 147 und das Nadelloch 141a in die erste Kammer 144. Wenn die zugeführten Abgase die Pumpzelle 110 passieren, wird an die beiden Pumpzellenelektroden 111 und 112 eine Spannung Vp zur Herbeiführung einer Aufspaltungsreaktion angelegt. Der Sauerstoff wird hierbei über die Pumpzelle 110 in Abhängigkeit von der Sauerstoffkonzentration in der ersten Kammer 144 aus der ersten Kammer 144 abgeführt oder in die erste Kammer 144 eingeleitet. Da die in der ersten Kammer 144 angeordnete Pumpzellenelektrode 111 eine in Bezug auf NOx inaktive bzw. nicht reaktionsfähige Elektrode ist, wird in den Abgasen befindliches NOx an der Pumpzelle 110 nicht aufgespalten, sondern es erfolgt nur eine Aufspaltung des Sauerstoffs und dessen Abführung in den Luftkanal 150. Die Sauerstoffkonzentration in den Abgasen wird hierbei auf der Basis des in der Pumpzelle 110 fließenden Stroms (d.h., des Pumpzellenstroms Ip) gemessen.
Nachdem die Abgase die Pumpzelle 110 passiert haben, fließen sie in die zweite Kammer 146. Die Überwachungszelle 120 erzeugt ein Ausgangssignal, das die verbleibende Restkonzentration des Sauerstoffs im Gas angibt. Hierbei wird eine vorgegebene Spannung Vm an die Überwachungszellenelektroden 121 und 122 angelegt, um das Ausgangssignal der Überwachungszelle 120 in Form eines Überwachungszellenstroms Im zu messen. Außerdem wird eine vorgegebene Spannung Vs an die Sensorzellenelektroden 131 und 122 angelegt, um das im Gas enthaltene NOx zu reduzieren und aufzuspalten. Der bei dieser Reduktions- und Aufspaltungsreaktion gebildete Sauerstoff wird in den Luftkanal 148 abgeführt. Hierbei wird die NOx-Konzentration in den Abgasen auf der Basis des in der Sensorzelle 130 fließenden Stroms (d.h., des Sensorzellenstroms Is) gemessen.
Die an die Pumpzelle 110 angelegte Spannung Vp wird in Abhängigkeit von der jeweiligen Sauerstoffkonzentration in den Abgasen (d.h., in Abhängigkeit von dem Pumpzellenstrom Ip) variabel gesteuert. Vorzugsweise wird hierbei z.B. ein Kennfeld verwendet, durch das die Beziehung zwischen der angelegten Spannung (Klemmenspannung) und dem Pumpzellenstrom festgelegt ist. Ein solches Kennfeld kann vorher auf der Basis der Grenzstromcharakteristik der Pumpzelle 110 erstellt werden. Die angelegte Spannung Vp wird dann kurzzeitig in Abhängigkeit von dem gemessenen Pumpzellenstrom unter Bezugnahme auf dieses Kennfeld gesteuert. Die Spannungssteuerung der Pumpzelle 110 erfolgt hierbei derart, dass die angelegte Spannung zu höheren Spannungswerten hin verschoben wird, wenn die Sauerstoffkonzentration in den Abgasen ansteigt bzw. hohe Werte annimmt.
1 zeigt in Form eines schematischen Blockschaltbilds den Aufbau des Gaskonzentrationsmessgeräts. Gemäß 1 umfasst eine Sensor-Steuereinheit 10 einen Sensor-Steuerabschnitt 11, einen Heizelement-Steuerabschnitt 12 sowie eine Eingangs-/Ausgangsschnittstelle (E/A) 13. Der Sensor-Steuerabschnitt 11 ist hierbei über elektrische Leitungen H1, H2 und H3 mit der Pumpzelle 110, der Überwachungszelle 120 sowie der Sensorzelle 130 elektrisch verbunden, die den vorstehend beschriebenen Aufbau aufweisen. Der Sensor-Steuerabschnitt 11 hat hierbei die Funktion, vorgegebene Spannungen an die jeweiligen Zellen 110 bis 130 des Gaskonzentrationssensors 100 anzulegen. Der Sensor-Steuerabschnitt 11 besitzt Strommesswiderstände zur Messung der Elementströme (d.h., Stromsignale), die in den jeweiligen Zellen 110 bis 130 fließen.
Hierbei wird ein in der Pumpzelle 110 fließendes Stromsignal in der Größenordnung von Milliampere (mA) über die elektrische Leitung H1 dem Sensor-Steuerabschnitt 11 zugeführt und mit Hilfe des in dem Sensor-Steuerabschnitt 11 vorgesehenen Strommesswiderstands gemessen. Sodann ermittelt der Sensor-Steuerabschnitt 11 die Sauerstoffkonzentration in den Abgasen (d.h., ein Luft/Kraftstoffverhältnis) auf der Basis des gemessenen Pumpzellen-Stromsignals. Außerdem werden in der Überwachungszelle 120 und der Sensorzelle 130 fließende Stromsignale in der Größenordnung von Nanoampere (nA) über die elektrischen Leitungen H2 und H3 dem Sensor-Steuerabschnitt 11 zugeführt und mit Hilfe der in dem Sensor-Steuerabschnitt 11 vorgesehenen Strommesswiderstände gemessen. Sodann ermittelt der Sensor-Steuerabschnitt 11 die in der zweiten Kammer 146 verbleibende Konzentration von Restsauerstoff auf der Basis des gemessenen Überwachungszellen-Stromsignals und misst außerdem die NOx-Konzentration auf der Basis des Sensorzellen-Stromsignals. Die Messwerte der Sauerstoffkonzentration und der NOx-Konzentration werden sodann über die Eingangs/Ausgangsschnittstelle 13 und eine elektrische Leitung H5 einer externen elektronischen Steuereinheit ECU 20 der Brennkraftmaschine oder dergleichen zugeführt.
Darüber hinaus ist der Heizelement-Steuerabschnitt 12 über eine elektrische Leitung H4 mit dem Heizelement 151 elektrisch verbunden. Der Heizelement-Steuerabschnitt 12 beaufschlagt das Heizelement 151 intermittierend mit elektrischem Strom, d.h., der Heizelement-Steuerabschnitt 12 umfasst ein Schaltelement (z.B, einen MOS-Feldeffekttransistor) oder ein Ansteuerelement zur Durchführung einer Pulsdauersteuerung (PDM), um auf diese Weise dem Heizelement 151 elektrischen Strom in Abhängigkeit von einem Einschaltsignal (Tastsignal) zuzuführen, das z.B. von einem Rechenabschnitt wie einer Zentraleinheit (CPU) erzeugt wird.
Die elektrischen Leitungen H1 bis H5 werden im allgemeinen von einem Verbindungsband aus z.B. Tyrap (Warenzeichen) zusammengehalten, um die Verkabelung bzw. Leitungsführung zu vereinfachen. An beiden Enden dieser Leitungen sind Kabelverbinder bzw. Anschlusselemente vorgesehen. Die elektrischen Leitungen H1 bis H5 und ihre Anschlusselemente bilden gemeinsam die Verbindungsleitungseinheit (obwohl dies nicht dargestellt ist). Hierbei dienen die mit der Überwachungszelle 120 und der Sensorzelle 130 verbundenen elektrischen Leitungen H2 und H3 zur Messung eines schwachen Elementstroms in der Größenordnung von Nanoampere (nA), sodass die elektrischen Leitungen H2 und H3 erfindungsgemäß die "Element-Stromleitungen" bilden. Die mit dem Heizelement 151 verbundene elektrische Leitung H4 dient dagegen zur Zuführung des in der Größenordnung von Ampere (A) liegenden Heizelementstroms, sodass die elektrische Leitung H4 erfindungsgemäß die "Heizelementleitung" bildet.
Bei der vorstehend beschriebenen Sensor-Steuereinheit 10 sind verschiedene elektrische Bauteile und ein Mikrocomputer zur Bildung des Sensor-Steuerabschnitts 11 und des Heizelement-Steuerabschnitts 12 auf dem gleichen Sensor-Steuerschaltungssubstrat angeordnet. Dieses Sensor-Steuerschaltungssubstrat befindet sich in einem dünnen kastenartigen Gehäuse mit Rechteckform. Hierbei umfasst der Sensor-Steuerabschnitt 11 eine Schaltungsanordnung zur Messung des in der Größenordnung von Nanoampere (nA) liegenden schwachen Stroms, die demzufolge in Bezug auf externe Störeinkopplungen geschützt werden muss. Nachstehend wird der charakteristische Aufbau der Sensor-Steuereinheit 10 zur Unterdrückung von Störeinkopplungen näher beschrieben.
2A zeigt eine perspektivische Ansicht von Einzelheiten des Aufbaus der Sensor-Steuereinheit 10, wobei eine Deckplatte 37 von einem Gehäusekörper 31 eines Gehäuses 30 entfernt ist. 2B stellt eine Querschnittsansicht der Sensor-Steuereinheit 10 entlang der Linie X-X gemäß 2A dar.
Der Gehäusekörper 31 besteht aus Metall wie Aluminium oder aus einem elektrisch leitfähigen Material wie elektrisch leitendem Kunststoff und weist eine kastenartige Form mit einer offenen Oberseite auf. Der Innenraum des Gehäuses ist durch eine aus einem elektrisch leitenden Material bestehende Trennplatte 32 in zwei Kammern unterteilt. Das Sensor-Steuerschaltungssubstrat 33 befindet sich hierbei in der einen Kammer, während ein Verbindungsleitungssubstrat 34 in der anderen Kammer angeordnet ist. Die Trennplatte 32 befindet sich in Kontakt mit dem Gehäusekörper 31, wobei sowohl der Gehäusekörper 31 als auch die Trennplatte 32 an Massepotential liegen. Das Sensor-Steuerschaltungssubstrat 33 dient erfindungsgemäß als "Steuerschaltungsabschnitt", während das Verbindungsleitungssubstrat 34 erfindungsgemäß als "Verbindungsschaltungsabschnitt" dient. Nachstehend wird die das Sensor-Steuerschaltungssubstrat 33 aufnehmende Kammer als erste Kammer A bezeichnet, während die das Verbindungsleitungssubstrat 34 aufnehmende Kammer als zweite Kammer B bezeichnet wird.
Die Trennplatte 32 ist mit einer Vielzahl von Durchführungskondensatoren 35 versehen, die nebeneinander in einer Linie angeordnet sind. Ein innerer Anschluss eines jeden Durchführungskondensator 35 ist über die Trennplatte 32 und den Gehäusekörper 31 mit Masse verbunden. An beiden Enden eines jeden Durchführungskondensators 35 vorgesehene Verbindungsleitungen 35a und 35b sind mit dem Sensor-Steuerschaltungssubstrat 33 bzw. dem Verbindungsleitungssubstrat 34 verbunden, d.h., die beiden Substrate 33 und 34 sind über die Durchführungskondensatoren 35 elektrisch miteinander verbunden. Vorzugsweise besitzt jeder Durchführungskondensator 35 eine Kapazität, die gleich oder größer als 1000 pF ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel hat die Trennplatte 32 zusätzlich zu der Funktion der Teilung des Gehäuses 30 in zwei Kammern die Funktion, die Anbringung der Vielzahl von Durchführungskondensatoren 35 zu ermöglichen und ihre inneren Anschlüsse an Masse zu legen.
Obwohl in 2A eine Gesamtzahl von fünf Durchführungskondensatoren 35 dargestellt ist, sollte die Gesamtzahl der in der Praxis verwendeten Durchführungskondensatoren 35 in Abhängigkeit von der Anzahl der an dem Sensor-Steuerschaltungssubstrat 33 vorgesehenen Verbindungsanschlüsse festgelegt werden, d.h., in Abhängigkeit von der Gesamtzahl von Kernadern in den jeweiligen elektrischen Leitungen H1 bis H5.
Außerdem weist der Gehäusekörper 31 eine Leitungsführungsöffnung 36 auf, die in einer Seitenwand als rechteckige Ausnehmung ausgebildet ist. Die elektrischen Leitungen H1 bis H5 werden über diese Leitungsführungsöffnung 36 in das Gehäuse 30 geführt und mit dem Verbindungsleitungssubstrat 34 elektrisch verbunden. Nach Anbringung der Trennplatte 32 und der Schaltungssubstrate 33 und 34 in dem Gehäusekörper 31 wird sodann die Deckplatte 37 an dem Gehäusekörper 31 befestigt, um die das Sensor-Steuerschaltungssubstrat 33 enthaltende erste Kammer A hermetisch abzuschließen.
Bei dem vorstehend beschriebenen Aufbau der Sensor-Steuereinheit 10 ist die das Sensor-Steuerschaltungssubstrat 33 enthaltende erste Kammer A im wesentlichen von der das Verbindungsleitungssubstrat 34 enthaltenden zweiten Kammer B isoliert. Hierbei entspricht das elektrische Potential des Gehäuses 30 Massepotential. Auf diese Weise lässt sich verhindern, dass in die erste Kammer A externe hochfrequente Störschwingungen eingekoppelt werden, die in die zweite Kammer B gelangen. Darüber hinaus lassen sich hochfrequente Störschwingungen, die sich den jeweiligen elektrischen Leitungen H1 bis H5 überlagern, durch die Durchführungskondensatoren 35 unterdrücken. Mit Hilfe der vorstehend beschriebenen Anordnung kann somit die Wirkungsweise des Sensor- Steuerschaltungssubstrats 33 stabilisiert und demzufolge die Zuverlässigkeit dieses Gerätes verbessert werden.
Bei den elektrischen Leitungen H1 bis H4, durch die die elektrische Verbindung zwischen dem Gaskonzentrationssensor 100 und der Sensor-Steuereinheit 10 hergestellt wird, sind die für die Messung der schwachen Elementströme in der Größenordnung von Nanoampere (nA) verwendeten elektrischen Leitungen insbesondere durch die zur Zuführung des in der Größenordnung von Ampere (A) liegenden Heizelementstroms dienende, benachbarte elektrische Leitung H4 einer induktiven oder kapazitiven Störeinkopplung ausgesetzt, was zur Folge hat, dass die Messgenauigkeit bei der Ermittlung der NOx-Konzentration abnimmt. Bei diesem Ausführungsbeispiel findet somit eine Abschirmungsanordnung Verwendung, durch die die elektrischen Leitungen H2 und H3 vor Störeinkopplungen geschützt sind. Bei den elektrischen Leitungen H1 und H4, die jeweils zur Zuführung eines relativ großen Stroms dienen, ist jedoch keine Abschirmung erforderlich, sodass eine Kunststoffummantelung Verwendung finden kann.
3 zeigt in perspektivischer Ansicht einen bei den elektrischen Leitungen H2 und H3 verwendbaren Kabel- oder Leitungsaufbau in Form einer mehradrigen Anordnung, bei der eine Vielzahl (in der Figur zwei) von Kernadern bzw. Innenadern von einer Abschirmungsschicht umgeben sind.
Bei der Anordnung gemäß 3 ist jede Kernader 41 von einer aus einem Isoliermaterial bestehenden Ummantelungsschicht 42 umgeben, wobei die jeweiligen Kernadern 41 gemeinsam von einer Abschirmungsschicht 43 in Form einer Abschirmumflechtung umgeben sind. Außerdem ist die Abschirmungsschicht 43 von einem Vinylmantel 44 umgeben. Die Abschirmungsschicht 43 besteht aus einem Material mit einer höheren elektrischen Leitfähigkeit, wie zinnbeschichteten weichen Kupferdrähten, rostfreiem Stahl (SUS304) oder einem vergleichbaren Material. Vorzugsweise ist die Umflechtungsdichte der Abschirmungsschicht 43 gleich oder größer als 90%. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, eine seitlich gewickelte Abschirmung oder ein leitendes Band anstelle der Abschirmungsumflechtung zu verwenden, d.h., jedes Material und jede Anordnung, mit deren Hilfe sich eine zufriedenstellende Abschirmwirkung erzielen lassen, kann Verwendung finden. Weiterhin ist in 3 eine Abführungs- oder Masseader 45 dargestellt, die z.B. mit dem Gehäuse 30 der Sensor-Steuereinheit 10 verbunden ist, sodass das elektrische Potential der Abschirmungsschicht 43 Massepotential entspricht.
4 zeigt eine perspektivische Ansicht eines bei den elektrischen Leitungen H2 und H3 verwendbaren weiteren Kabel- bzw. Leitungsaufbaus in Form einer einadrigen Anordnung, bei der nur eine Kernader 41 vorgesehen und von der Abschirmungsschicht 43 umgeben ist.
Die 5A bis 5C zeigen Querschnittsansichten verschiedener Abschirmungsanordnungen. Hierbei zeigt 5A eine einzige Kernader bzw. Innenader 41, die von einer Ummantelungsschicht 42 und einer die Ummantelungsschicht 42 umgebenden Abschirmungsschicht 43 umgeben ist, wobei ein Vinylmantel 44 als äußere Schutzschicht vorgesehen ist. 5B zeigt eine Vielzahl von jeweiligen Kernadern 41, die jeweils von einer Ummantelungsschicht 42 umgeben sind, wobei eine Abschirmungsschicht 43 die jeweiligen Ummantelungsschichten 42 gemeinsam umgibt und ein Vinylmantel 44 als äußere Schutzschicht vorgesehen ist. Außerdem ist innerhalb der Abschirmungsschicht 43 eine Abführungs- oder Masseader 45 vorgesehen, die entlang der Abschirmungsschicht 43 verläuft. 5C zeigt eine Vielzahl von Kernadern 41, die jeweils von einer Ummantelungsschicht 42 umgeben sind, wobei eine Abschirmungsschicht 43 die jeweiligen Ummantelungsschichten 42 gemeinsam umgibt. In diesem Falle ist die Abschirmungsschicht 43 direkt mit Massepotential verbunden. Die vorstehend beschriebenen Anordnungen basieren auf einem koaxialen Kabelaufbau.
Gemäß dem vorstehend beschriebenen Kabel- bzw. Leitungsaufbau sind die jeweiligen elektrischen Leitungen H2 und H3 derart angeordnet, dass jede Kernader 41 von der Abschirmungsschicht 43 umgeben ist und die Abschirmungsschicht 43 an Massepotential liegt. Durch diese Anordnung lassen sich bei den elektrischen Leitungen H2 und H3 induktive oder kapazitive Störeinkopplungen durch das Heizelementkabel H4 oder durch hochfrequente Störschwingungen oder andere externe Störungen wirksam vermeiden, sodass eine genaue Messung des in der Größenordnung von nA liegenden Elementstroms erzielbar ist.
Bei dem vorstehend beschriebenen Aufbau der elektrischen Leitungen H2 und H3 liegt an der Kernader 41 eine Spannung von annähernd 1 V an, während das elektrische Potential der Abschirmungsschicht 43 dem Massepotential entspricht. Hierbei kann die elektrische Potentialdifferenz zwischen der Innenseite und der Außenseite der Ummantelungsschicht 42 zu einem über die Ummantelungsschicht 42 fließenden Leckstrom führen. Zur Unterdrückung nachteiliger Auswirkungen durch einen über die Ummantelungsschicht 42 fließenden solchen Leckstrom beträgt der spezifische Volumen-Widerstand bzw. Durchgangswiderstand ρ der Ummantelungsschicht 42 vorzugsweise 1,0 × 10¹² (Ω·cm) oder mehr.
Wenn hierbei in der in 8 veranschaulichten Weise S (cm²) den durchschnittlichen Querschnitt eines Materials, L (cm) einen Messabstand für den elektrischen Widerstand und R (Ω) den elektrischen Widerstandswert bezeichnen, lässt sich der spezifische Volumen-Widerstand bzw. spezifische Durchgangswiderstand ρ (Ω·cm) des Materials durch folgende Gleichung ausdrücken: ρ = (S/L) × R (1)
Diese Beziehung lässt sich in Bezug auf die Ummantelungsschicht der elektrischen Leitung verwenden. Die
9A und 9B zeigen eine elektrische Leitung mit einem einadrigen Aufbau, bei dem die Bauelemente, die denjenigen gemäß den 3 und 4 entsprechen, mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet sind. 9A stellt hierbei eine perspektivische Ansicht der elektrischen Leitung dar, während 9B eine Draufsicht der Schichtstruktur der elektrischen Leitung darstellt.
In den 9A und 9B sind mit Rs ein Kernader-Durchmesser und mit Ww die Länge der Ummantelungsschicht 42 bezeichnet. Der Abstand zwischen der Kernader 41 und der Abschirmungsschicht 43, d.h., die Dicke der Ummantelungsschicht 42, entspricht dem Messabstand L. Hierbei lässt sich der durchschnittliche Querschnitt S unter Verwendung der Gleichung S = π (2Rs + L) × Ww ausdrücken, wobei unter Berücksichtigung der vorstehend angegebenen Gleichung (1) folgende Gleichung abgeleitet werden kann: ρ = R × {π(2Rs + L) × Ww}/L (2)
Der in der Überwachungszelle 120 oder der Sensorzelle 130 fließende Elementstrom beträgt annähernd 500 nA (0,5 μA).
Wenn angenommen wird, dass ein zulässiger Leckstrom 0,2% eines Elementstroms von 1 nA betragen kann, ist der für die Ummantelungsschicht 42 erforderliche Widerstandswert R gleich oder größer als 1 GΩ (R = 1(V)/1(nA ≥ 1 × 10⁹Ω = 1 GΩ). Wenn weiterhin unter Zugrundelegung der Abmessungen üblichen Leitungsmaterials angenommen wird, dass der Kernader-Durchmesser Rs = 0,05 cm und der Messabstand L = 0,05 cm betragen und außerdem davon ausgegangen wird, dass die Länge der Ummantelungsschicht 42 Ww = 100 cm beträgt, ergibt sich aus der vorstehend angegebenen Gleichung (2) ein spezifischer Volumen-Widerstand (spezifischer Durchgangswiderstand) von ρ ≥ 0,94 × 10¹² (Ω·cm). Durch Erfüllung der Ungleichung ρ ≥ 1,0 × 10¹² (Ω·cm) ist somit die erforderliche Messgenauigkeit für die Messung des Elementstroms gewährleistet.
Bei Verwendung von Teflon (Warenzeichen) für die Ummantelungsschicht 42 erfüllt der spezifische Volumen-Widerstand (spezifische Durchgangswiderstand) gemäß Datenblättern oder Spezifikationen in ausreichendem Maße die Ungleichung ρ ≥ 10¹⁸ (Ω·cm), d.h., mit Hilfe einer aus Teflon bestehenden Ummantelungsschicht 42 lassen sich die vorstehend beschriebenen Anforderungen in ausreichendem Maße erfüllen. Zur Bildung der Ummantelungsschicht kann jedoch auch jedes andere Material mit einem spezifischen Volumen-Widerstand (spezifischen Durchgangswiderstand) von ρ ≥ 10¹² (Ω·cm) Verwendung finden. Wenn z.B. eine sogenannte AV-Leitung in Form einer üblichen Kraftfahrzeug-Leitung (Kraftfahrzeug-Kabel) Verwendung findet, liegt der spezifische Volumen-Widerstand (spezifische Durchgangswiderstand) ρ gemäß den Spezifikationen annähernd im Bereich von 10¹⁰ bis 10¹⁵ (Ω·cm). Bei einer sorgfältigen Auswahl zur Gewährleistung des Vorliegens eines spezifischen Volumen-Widerstands (spezifischen Durchgangswiderstands) von ρ ≥ 10¹² (Ω·cm), kann auch eine solche AV-Leitung die Bedingungen für die Ummantelungsschicht 42 erfüllen. Bei Verwendung von Teflon (Warenzeichen) ist jedoch diese lästige Auswahl nicht erforderlich.
Obwohl gemäß dem vorstehend beschriebenen Berechnungsbeispiel die Ummantelungsschichtlänge Ww 100 cm und die Kernader-Spannung 1 V betragen, nimmt der Widerstandswert R mit steigender Ummantelungsschichtlänge Ww ab, während der Leckstrom mit steigender Kernader-Spannung zunimmt. Mit Hilfe einer unter Verwendung von Teflon hergestellten Leitung, die das Erfordernis in Bezug auf den spezifischen Volumen-Widerstand (spezifischen Durchgangswiderstand) bis zu einem Wert von ρ ≥ 10¹⁸ (Ω·cm) erfüllt, lässt sich somit eine noch wirksamere Unterdrückung von Leckströmen erzielen.
Außerdem ist bei diesem Ausführungsbeispiel in Bezug auf die für die Messung des schwachen Elementstroms verwendeten elektrischen Leitungen H2 und H3 die Masseverbindung, über die die Abschirmungsschicht 43 an Massepotential liegt, getrennt von der Masseverbindung ausgeführt, über die das Heizelement 151 an Massepotential liegt, obwohl dies in der Zeichnung nicht dargestellt ist. Hierbei wird die Abschirmungsschicht 43 der jeweiligen elektrischen Leitungen H2 und H3 mit dem Masseanschluss der Sensor-Steuereinheit 10 verbunden, während der negative Einschluss des Heizelements 151 mit dem Masseanschluss der Brennkraftmaschine oder der elektronischen Steuereinheit ECU 20 der Brennkraftmaschine verbunden ist. Durch diese Anordnung kann das Massepotential der Abschirmungsschicht 43 vor nachteiligen Einwirkungen durch Schwankungen des Massepotentials des Heizelements 151 (d.h., des Referenzpotentials) geschützt werden.
Bei den Kabelverbindern bzw. Anschlusselementen der Verbindungsleitungseinheit kann eine Abschirmung außerhalb des jeweiligen Kabelverbinders bzw. Anschlusselements angeordnet werden. So kann z.B. in der in 10 veranschaulichten Weise ein als Abschirmung dienendes Gehäuse 61 ein Anschlusselement 60 umgeben. In diesem Falle stellt das Anschlusselement 60 ein aus Kunststoff bestehendes Bauteil dar, während das Gehäuse 61 aus einem metallischen oder elektrisch hochleitendem Material besteht. Das Gehäuse 61 wird hierbei an Massepotential gelegt. Das Gehäuse 61 kann auch durch ein um das Anschlusselement 60 herum gewickeltes leitendes Band oder dergleichen ersetzt werden. Durch eine solche Anordnung lässt sich die Störfestigkeit des Anschlusselements 60 verbessern und damit eine weitere Steigerung der Messgenauigkeit bei der Messung der Gaskonzentration (z.B. bei diesem Ausführungsbeispiel der NOx-Konzentration) erzielen.
Außerdem wird vorzugsweise das zur Verbindung der den schwachen Elementstrom führenden Leitungen H2 und H3 mit der Sensor-Steuereinheit 10 dienende Element-Stromverbindungsglied getrennt von dem zur Verbinung der Heizelementleitung H4 mit der Sensor-Steuereinheit 10 dienenden Heizelement-Verbindungsglied angeordnet. Diese Anordnung dient zur Verbesserung der Störfestigkeit des Element-Stromverbindungsglieds und somit zur Verbesserung der Messgenauigkeit bei der Messung der Gaskonzeniration. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, das Element-Stromverbindungsglied mit einer Abschirmung (wie dem Gehäuse 61 gemäß 10) zu umgeben, wodurch sich die Störfestigkeit weiter verbessern lässt.
Das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel besitzt folgende vorteilhafte Eigenschaften:
Durch die die Kernader 41 der den schwachen Elementstrom führenden Leitungen H2 und H3 umgebende Abschirmungsschicht 43 werden die über die Heizelementleitung H4 erfolgenden induktiven oder kapazitiven Störeinkopplungen wirksam unterdrückt. Außerdem lässt sich mit Hilfe der vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele eine ausreichende Störfestigkeit erzielen, auch wenn ein Kraftfahrzeug mit einer Vielzahl von elektrischen Geräten (d.h., Störquellen) ausgestattet ist. Hierdurch ist eine genaue Messung des Elementstroms gewährleistet. Darüber hinaus lässt sich die Messgenauigkeit bei der Ermittlung der Gaskonzentration (der NOx-Konzentration bei diesem Ausführungsbeispiel) verbessern. Zur Erzielung einer Störunterdrückung gilt üblicherweise, dass die den schwachen Strom führenden Leitungen nicht in der Nähe der Heizelementleitung angeordnet sein dürfen, jedoch ist bei diesem Ausführungsbeispiel eine derartige Anordnung nicht erforderlich.
Das Material der Ummantelungsschicht 42 ist auf ein Material mit einem spezifischen Volumen-Widerstand (spezifischen Durchgangswiderstand) von 1,0 × 10¹² (Ω·cm) oder mehr beschränkt. Da erfindungsgemäß z.B. Teflon (Warenzeichen) für die Ummantelungsschicht 42 verwendet wird, können Leckverluste des Elementstroms über die Ummantelungsschicht 42 zuverlässig verhindert werden, wodurch die Zuverlässigkeit des Messergebnisses des Elementstroms weiter verbessert wird.
Außerdem werden externe hochfrequente Störschwingungen, die sich den elektrischen Leitungen H1 bis H5 überlagern, unmittelbar bevor sie das Sensor-Steuerschaltungssubstrat 33 erreichen, von den Durchführungskondensatoren 35 zuverlässig unterdrückt. Das Sensor- Steuerschaltungssubstrat 33 ist in der ersten Kammer A in einem Abstand zum Verbindungsleitungssubstrat 34 (den elektrischen Leitungen H1 bis H5) angeordnet. Demzufolge ist das Sensor-Steuerschaltungssubstrat 33 keinen externen Störeinwirkungen ausgesetzt und somit eine genaue Messung des Elementstroms möglich, wodurch sich die Messgenauigkeit bei der Ermittlung der Gaskonzentration verbessern lässt.
Die Trennplatte 32 hat die Funktion, die Anbringung der Durchführungskondensatoren 35 zu ermöglichen und den Innenraum des Gehäuses 30 in zwei Kammern zu unterteilen. Es besteht keine Notwendigkeit, eine zusätzliche spezielle Trennwand vorzusehen. Gleichzeitig wird ein einfacher Aufbau erhalten.
Die Erfindung ist jedoch nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern kann in der nachstehend näher beschriebenen Weise modifiziert werden.
In den 11A und 11B ist ein modifizierter Aufbau der Sensor-Steuereinheit 10 veranschaulicht. Die Sensor-Steuereinheit 10A gemäß 11 unterscheidet sich von der Sensor-Steuereinheit 10 gemäß 2 dadurch, dass nur ein Schaltungssubstrat 51 vorgesehen ist, das sich über den gesamten Gehäusekörper 31 hinweg erstreckt. Eine Trennplatte 52 ist vertikal stehend auf dem Schaltungssubstrat 51 angeordnet. Wie im Falle der Trennplatte 32 gemäß 2 hat auch die Trennplatte 52 die Funktion, die Anbringung der Durchführungskondensatoren 35 zu ermöglichen und den Innenraum (d.h., den oberen Bereich des Schaltungssubstrats 51) des Gehäuses 30 in zwei Kammern zu unterteilen. Hierbei ist die Oberfläche, auf der die elektrischen Leitungen H1 bis H5 der Verbindungsleitungseinheit mit dem Schaltungssubstrat verbunden sind, mit der Oberfläche identisch, auf der die Trennplatte 52 steht. Außerdem dient das Schaltungssubstrat 51 in der in 11B veranschaulichten Weise auf der linken Seite der Trennplatte 52 als Steuerschaltungsabschnitt und auf der rechten Seite der Trennplatte 52 als Verbindungsschaltungsabschnitt, d.h., da der Innenraum des Gehäusekörpers 31 durch die Trennplatte 52 in den Steuerschaltungsabschnitt und den Verbindungsschaltungsabschnitt unterteilt ist, ist der Steuerschaltungsabschnitt keinen nachteiligen Einwirkungen durch externe Störungen ausgesetzt.
Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen sind sowohl der Steuerschaltungsabschnitt (d.h., das Sensor-Steuerschaltungssubstrat) als auch der Verbindungsschaltungsabschnitt (d.h., das Verbindungsleitungssubstrat) in dem Gehäuse 30 angeordnet. Der Verbindungsschaltungsabschnitt kann jedoch auch getrennt außerhalb des Gehäuses angeordnet werden. In diesem Fall wird der Steuerschaltungsabschnitt (d.h., das Sensor-Steuerschaltungssubstrat) in einem geschlossenen Raum des Gehäuses angeordnet, wobei die Durchführungskondensatoren an einem Wandbereich dieses Gehäuses angebracht sind, während der Verbindungsschaltungsabschnitt (d.h., das Verbindungsleitungssubstrat) außerhalb dieses geschlossenen Raums angeordnet ist. Der Verbindungsschaltungsabschnitt und der Steuerschaltungsabschnitt sind hierbei über die Durchführungskondensatoren elektrisch miteinander verbunden. Durch diese Anordnung wird zuverlässig verhindert, dass der Steuerschaltungsabschnitt nachteiligen Einwirkungen durch externe Störungen ausgesetzt ist, wodurch eine genaue Messung des Elementstroms ermöglicht wird.
Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen ist der Strompegel des Pumpzellenstroms größer als der Überwachungszellenstrom und der Sensorzellenstrom. Demzufolge ist wie bei der Heizelementleitung H4 bei der zur Messung des Pumpzellenstroms vorgesehenen elektrischen Leitung H1 keine Abschirmung vorgesehen. Es kann jedoch auch die elektrische Leitung H1 mit einer Abschirmung versehen werden.
Die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beinhalten einerseits Maßnahmen zur Verringerung der Störeinwirkung auf die elektrischen Leitungen (z.B. durch Anbringung einer Abschirmung oder dergleichen) und andererseits Maßnahmen zur Verringerung der Störeinwirkung auf das Gehäuse der Sensor-Steuereinheit (z.B. durch Anbringung der Durchführungskondensatoren usw.). Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, nur eine dieser beiden Störunterdrückungsmaßnahmen vorzusehen.
Die Erfindung kann außer bei einem Gaskonzentrationssensor (NOx-Sensor) zur Ermittlung der NOx-Konzentration auch bei einem HC-Sensor, einem CO-Sensor oder einem beliebigen anderen Gaskonzentrationssensor eingesetzt werden, die in der Lage sind, eine HC-Konzentration, eine CO-Konzentration oder eine beliebige andere spezifische Gaskonzentration zu messen. In diesem Falle führt die Pumpzelle (d.h., die erste Zelle) überschüssigen Sauerstoff aus dem Messgas ab, woraufhin die Sensorzelle (d.h., die zweite Zelle) HC oder CO im Restgas aufspaltet, um die HC-Konzentration oder die CO-Konzentration zu ermitteln.
Darüber hinaus kann die Erfindung nicht nur bei einem Gaskonzentrationsmessgerät für Kraftfahrzeuge, sondern auch bei einem beliebigen anderen Gaskonzentrationsmessgerät Verwendung finden, wobei ein beliebiges anderes Gas als die Abgase eines Kraftfahrzeugs das Messgas darstellen kann.
Wie vorstehend beschrieben, umfasst der Gaskonzentrationssensor (100) somit ein aus einer Pumpzelle (110), einer Überwachungszelle (120) und einer Sensorzelle (130) bestehendes Sensorelement. Diese Zellen (110 bis 130) werden von einem Heizelement (151) erwärmt und in einem aktivierten Zustand gehalten. Eine Sensor-Steuereinheit (10) misst einen in dem Sensorelement in Abhängigkeit von der Konzentration eines spezifischen Gasbestandteils fließenden schwachen Elementstrom und führt dem Heizelement (151) intermittierend elektrischen Strom zu. Die Sensor-Steuereinheit (10) ist über elektrische Leitungen (H1 bis H4) mit dem Gaskonzentrationssensor (100) elektrisch verbunden. Hierbei sind die den schwachen Elementstrom führenden Leitungen (H2, H3) und die Heizelementleitung (H4) zusammengefasst. Die elektrischen Leitungen (H2, H3) besitzen eine Abschirmungsschicht, die eine den Elementstrom führende Kernader umgibt und an Massepotential gelegt ist.

Claims

Gaskonzentrationsmessgerät, mit einem Gaskonzentrationssensor (100), der ein Sensorelement (105) mit einem Festelektrolytsubstrat (141, 142) zur Messung der Gaskonzentration eines spezifischen Bestandteils eines Messgases und einem Heizelement (151) zur Erwärmung des Sensorelements (105) auf einen vorgegebenen Aktivierungszustand aufweist, einer Sensor-Steuereinheit (10) zur Messung eines in dem Sensorelement (105) in Abhängigkeit von der Konzentration des spezifischen Gasbestandteils fließenden, schwachen Elementstroms und intermittierenden Zuführung von elektrischem Strom zu dem Heizelement (151), und einer Verbindungsleitungseinheit zur Herstellung der elektrischen Verbindung zwischen dem Gaskonzentrationssensor (100) und der Sensor-Steuereinheit (10), dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsleitungseinheit eine Element-Stromleitung (H2, H3) zur Messung des Elementstroms und eine Heizelement-Leitung (H4) zur Stromversorgung des Heizelements aufweist, und dass eine Kernader (41) der Element-Stromleitung, über die der Elementstrom fließt, von einer an Massepotential gelegten Abschirmungsschicht (43) umgeben ist.
Gaskonzentrationsmessgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Element-Stromleitung (H2, H3) eine die Kernader (41) umgebende Ummantelungsschicht (42) aufweist und dass die Abschirmungsschicht (43) die Ummantelungsschicht (42) umgibt.
Gaskonzentrationsmessgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der spezifische Volumen-Widerstand der Ummantelungsschicht (42) gleich oder größer als 1,0 × 10¹² (Ω·cm) ist.
Gaskonzentrationsmessgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ummantelungsschicht (42) aus Teflon (Warenzeichen) besteht.
Gaskonzentrationsmessgerät nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Element-Stromleitung (H2, H3) eine Vielzahl von Kernadern (41) umfasst, die gemeinsam von der Abschirmungsschicht (43) umgeben sind.
Gaskonzentrationsmessgerät nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Element-Stromleitung (H2, H3) zumindest eine von einer Ummantelungsschicht (42) umgebene Kernader (41) aufweist, dass die Abschirmungsschicht (43) die Ummantelungsschicht (42) umgibt, und dass die Abschirmungsschicht (43) von einer Schutzschicht (44) umgeben ist.
Gaskonzentrationsmessgerät nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Element-Stromleitung (H2, H3) eine Vielzahl von Kernadern (41) aufweist, die jeweils von einer Ummantelungsschicht (42) umgeben sind, dass die Abschirmungsschicht (43) die Vielzahl der Kernadern (41) umgibt, und dass eine Schutzschicht (44) die Abschirmungsschicht (43) umgibt.
Gaskonzentrationsmessgerät nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Masseverbindung, über die die Abschirmungsschicht (43) der Element-Stromleitung (H2, H3) an Massepotential liegt, getrennt von der Masseverbindung ausgeführt ist, über die das Heizelement (151) an Massepotential liegt.
Gaskonzentrationsmessgerät nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsleitungseinheit mit der Sensor-Steuereinheit (10) über ein Verbindungselement (60) verbunden ist und dass die Außenseite des Verbindungselements von einer Abschirmung (61) umgeben ist.
Gaskonzentrationsmessgerät nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein zur Verbindung der Element-Stromleitung (H2, H3) mit der Sensor-Steuereinheit (10) dienendes Element-Stromverbindungsglied getrennt von einem zur Verbindung der Heizelement-Leitung (H4) mit der Sensor-Steuereinheit (10) dienenden Heizelement-Verbindungsglied angeordnet ist.
Gaskonzentrationsmessgerät nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein in der Sensor-Steuereinheit (10) enthaltener Steuerschaltungsabschnitt (33) in einem geschlossenen Raum eines aus einem elektrisch leitenden Material bestehenden und an Massepotential gelegten Gehäuses (30) angeordnet ist, dass ein Durchführungskondensator (35) an einem Wandabschnitt des Gehäuses (30) angebracht ist, dass ein mit der Verbindungsleitungseinheit elektrisch verbundener Verbindungsschaltungsabschnitt (34) außerhalb des geschlossenen Raums angeordnet ist, und dass der Verbindungsschaltungsabschnitt und der Steuerschaltungsabschnitt über den Durchführungskondensator elektrisch miteinander verbunden sind.
Gaskonzentrationsmessgerät nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein aus einem elektrisch leitenden Material bestehendes und an Massepotential gelegtes Gehäuse (30) durch eine aus einem elektrisch leitenden Material bestehende und an Massepotential gelegte Trennplatte (32, 52) in zwei Kammern (A, B) unterteilt ist, ein Durchführungskondensator (35) an der Trennplatte (32, 52) angeordnet ist, ein in der Sensor-Steuereinheit (10) enthaltener Steuerschaltungsabschnitt (33) und ein mit der Verbindungsleitungseinheit elektrisch verbundener Verbindungsschaltungsabschnitt (34) jeweils in einer der beiden Kammern (A, B) angeordnet sind, und der Steuerschaltungsabschnitt und der Verbindungsschaltungsabschnitt über den Durchführungskondensator (35) elektrisch miteinander verbunden sind.
Gaskonzentrationsmessgerät, mit einem Gaskonzentrationssensor (100), der ein Sensorelement (105) mit einem Festelektrolytsubstrat (141, 142) zur Messung der Gaskonzentration eines spezifischen Bestandteils eines Messgases und einem Heizelement (151) zur Erwärmung des Sensorelements (105) auf einen vorgegebenen Aktivierungszustand aufweist, einer Sensor-Steuereinheit (10) zur Messung eines in dem Sensorelement (105) in Abhängigkeit von der Konzentration des spezifischen Gasbestandteils fließenden, schwachen Elementstroms und intermittierenden Zuführung von elektrischem Strom zu dem Heizelement (151), und einer Verbindungsleitungseinheit zur Herstellung der elektrischen Verbindung zwischen dem Gaskonzentrationssensor (100) und der Sensor-Steuereinheit (10), dadurch gekennzeichnet, dass ein in der Sensor-Steuereinheit (10) enthaltener Steuerschaltungsabschnitt (33) in einem geschlossenen Raum eines aus einem elektrisch leitenden Material bestehenden und an Massepotential gelegten Gehäuses (30) angeordnet ist, ein Durchführungskondensator (35) an einem Wandabschnitt des Gehäuses (30) angebracht ist, ein mit der Verbindungsleitungseinheit elektrisch verbundener Verbindungsschaltungsabschnitt (34) außerhalb des geschlossenen Raums angeordnet ist, und der Verbindungsschaltungsabschnitt (34) und der Steuerschaltungsabschnitt (33) über den Durchführungskondensator (35) elektrisch miteinander verbunden sind.
Gaskonzentrationsmessgerät, mit einem Gaskonzentrationssensor (100), der ein Sensorelement (105) mit einem Festelektrolytsubstrat (141, 142) zur Messung der Gaskonzentration eines spezifischen Bestandteils eines Messgases und einem Heizelement (151) zur Erwärmung des Sensorelements (105) auf einen vorgegebenen Aktivierungszustand aufweist, einer Sensor-Steuereinheit (10) zur Messung eines in dem Sensorelement (105) in Abhängigkeit von der Konzentration des spezifischen Gasbestandteils fließenden, schwachen Elementstroms und intermittierenden Zuführung von elektrischem Strom zu dem Heizelement (151), und einer Verbindungsleitungseinheit zur Herstellung der elektrischen Verbindung zwischen dem Gaskonzentrationssensor (100) und der Sensor-Steuereinheit (10), dadurch gekennzeichnet, dass ein aus einem elektrisch leitenden Material bestehendes und an Massepotential gelegtes Gehäuse (30) durch eine aus einem elektrisch leitenden Material bestehende und an Massepotential gelegte Trennplatte (32, 52) in zwei Kammern (A, B) unterteilt ist, ein Durchführungskondensator (35) an der Trennplatte (32, 52) angebracht ist, ein in der Sensor-Steuereinheit (10) enthaltener Steuerschaltungsabschnitt (33) und ein mit der Verbindungsleitungseinheit elektrisch verbundener Verbindungsschaltungsabschnitt (34) jeweils in einer der beiden Kammern (A, B) angeordnet sind, und der Steuerschaltungsabschnitt (33) und der Verbindungsschaltungsabschnitt (34) über den Durchführungskondensator (35) elektrisch miteinander verbunden sind.
Gaskonzentrationsmessgerät nach Anspruch 12 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerschaltungsabschnitt und der Verbindungsschaltungsabschnitt auf dem gleichen Schaltungssubstrat (51) angeordnet sind und dass die Trennplatte (52) auf dem Schaltungssubstrat (51) derart angeordnet ist, dass sie vertikal zwischen dem Steuerschaltungsabschnitt und dem Verbindungsschaltungsabschnitt verläuft.
Gaskonzentrationsmessgerät nach zumindest einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapazität des Durchführungskondensators (35) gleich oder größer als 1000 pF ist.
Gaskonzentrationsmessgerät nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (105) eine erste Zelle (110), die Sauerstoff aus einem in einer Kammer (144) befindlichen Messgas abführt oder in das in der Kammer (144) befindliche Messgas hineinpumpt, und eine zweite Zelle (130) aufweist, die den spezifischen Bestandteil des Messgases aufspaltet, nachdem das Messgas die erste Zelle (110) passiert hat, und die Gaskonzentration des spezifischen Gasbestandteils auf der Basis der sich bei der Aufspaltung des spezifischen Gasbestandteils bewegenden Sauerstoffionenmenge ermittelt, und dass die Sensor-Steuereinheit (10) einen zumindest in der zweiten Zelle (130) fließenden schwachen Strom misst.