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Die
Erfindung geht aus von einem Gasmessfühler nach dem Oberbegriff des
unabhängigen
Anspruchs.
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Ein
derartiger Gasmessfühler,
der der Bestimmung der Sauerstoffkonzentration in einem Messgas,
beispielsweise einem Abgas einer Brennkraftmaschine, dient, ist
aus der
DE 101 54
869 A1 bekannt. Der Gasmessfühler ist eine sogenannte Breitband-Lambda-Sonde,
deren Funktion beispielsweise in Automotive Electronics Handbook,
Editor in chief: Ronald K. Jurgen, Second Edition, 1999, McGraw-Hill,
beschrieben ist.
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Der
Gasmessfühler
umfasst ein planares, längliches,
schichtförmig
aufgebautes Sensorelement, das in einem Gehäuse des Gasmessfühlers gasdicht
festgelegt ist. Das Sensorelement weist eine erste und eine zweite
Festelektrolytfolie auf, zwischen denen ein Messgasraum und eine
Diffusionsbarriere angeordnet ist. Das außerhalb des Sensorelement befindliche
Messgas kann durch eine in der ersten Festelektrolytfolie eingebrachte
Gaszutrittsöffnung
und durch die Diffusionsbarriere in den Messgasraum gelangen. Im
Messgasraum ist eine Elektrode angeordnet, die durch die erste Festelektrolytfolie
mit einer weiteren Elektrode elektrisch verbunden ist, die beispielsweise
auf einer Außenfläche des Sensorelements
angeordnet ist. Durch Anlegen einer Pumpspannung zwischen den Elektroden
wird derart Sauerstoff von der einen Elektrode zu der anderen Elektrode
und damit – je
nach Pumprichtung – in
den Messgasraum oder aus dem Messgasraum gepumpt, dass im Messgasraum
ein Sauerstoffpartialdruck von Lambda = 1 vorliegt. Weist das Messgas einen
Sauerstoffpartialdruck größer oder
kleiner Lambda = 1 auf, so bildet sich in der Diffusionsbarriere
bezüglich
des Sauerstoffpartialdrucks ein Gradient aus.
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Erhöht sich
nun der Druck des Messgases (bei gleicher hoher Sauerstoffkonzentration),
so erhöht
sich auch der Druck des Gases in dem Messgasraum. Bei dieser Druckerhöhung wird
das innerhalb der Diffusionsbarriere befindliche Gas in den Messgasraum
gedruckt. Vor der Druckerhöhung
hat das in der Diffusionsbarriere befindliche Gas jedoch nur auf
der dem Messgasraum zugewandten Seite einen Sauerstoffpartialdruck
von ungefähr
Lambda = 1. Auf der entgegengesetzten Seite entspricht der Sauerstoffpartialdruck
ungefähr
dem (hohen) Sauerstoffpartialdruck des außerhalb des Sensorelements befindlichen
Messgases. Im Falle eines Messgases mit hoher Sauerstoffkonzentration
(also Lambda > 1) hat
das durch die Druckerhöhung
aus der Diffusionsbarriere in den Messgasraum gedrückte Messgas also
einen Sauerstoffpartialdruck größer Lambda
= 1. Damit tritt bei einer plötzlichen
Druckerhöhung
im Messgasraum eine plötzliche
Erhöhung
des Sauerstoffpartialdrucks auf, ohne dass sich die Sauerstoffkonzentration
im Messgas außerhalb
des Sensorelements tatsächlich
erhöht
hätte.
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Bei
einem derartigen Sensorelement ist somit nachteilig, dass bei sogenannten
Druckpulsen, also plötzlichen
starken Druckanstiegen außerhalb des
Sensorelements, das in der Diffusionsbarriere befindliche Messgas
in den Messgasraum gedrückt wird,
wodurch die Messfunktion des Sensorelements verschlechtert wird.
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Vorteile der
Erfindung
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Der
erfindungsgemäße Gasmessfühler mit den
kennzeichnenden Merkmalen des unabhängigen Anspruchs hat demgegenüber den
Vorteil, dass die Messfunktion des Sensorelements durch Druckpulse nicht
oder nur geringfügig
beeinträchtigt
wird.
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Hierzu
ist vorgesehen, dass das Sensorelement eine erste und eine zweite
Diffusionsbarriere umfasst, und dass zwischen der ersten und der
zweiten Diffusionsbarriere ein Hohlraum vorgesehen ist. Das Messgas
kann über
die zweite Diffusionsbarriere (mit einem Diffusionswiderstand D2), den Hohlraum und die erste Diffusionsbarriere
(mit einem Diffusionswiderstand D1) zu dem
Messgasraum und zu der im Messgasraum angeordneten Elektrode gelangen. Im
Hohlraum befindet sich im Gleichgewicht Messgas mit einem mittleren
Sauerstoffpartialdruck, der im stationären Fall durch den Quotienten
D2/D1 bestimmt ist.
Bei einem Druckpuls im außerhalb
des Sensorelements befindlichen Messgas wird nun das Messgas aus
der zweiten Diffusionsbarriere in den Hohlraum gedrückt, wodurch
im Hohlraum der Druck ansteigt. Dies setzt sich über die erste Diffusionsbarriere
bis in den Messgasraum fort.
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Dabei
wird vorwiegend Messgas aus dem Hohlraum in den Messgasraum gedrückt. Dadurch wird
vermieden, dass Messgas aus der zweiten Diffusionsbarriere mit einem
deutlich höheren
Sauerstoffpartialdruck bis in den Messgasraum gefangen kann. Zudem
dient der Hohlraum als Speichervolumen, durch den die Ausbreitung
der Druckwelle in Richtung des Messgasraums verzögert wird. Folgt auf den Druckpuls
eine Druckverminderung im Abgas, so kann aufgrund der Speicherfunktion
des Hohlraums ein Druckpuls durch eine nachfolgende Druckverminderung
zumindest weitgehend ausgeglichen werden.
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Durch
die in den abhängigen
Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen des in dem unabhängigen Anspruch
genannten Gasmessfühlers
möglich.
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Bevorzugt
ist die erste Diffusionsbarriere ringförmig und von dem ringförmigen Messgasraum umgeben,
wobei innerhalb der ersten Diffusionsbarriere die zweite Diffusionsbarriere
angeordnet ist, und wobei zwischen der ersten und der zweiten Diffusionsbarriere
der ringförmige
Hohlraum vorgesehen ist. Der Messgasraum, die erste Diffusionsbarriere, der
Hohlraum und die zweite Diffusionsbarriere sind zwischen einer ersten
und einer zweiten Festelektrolytschicht angeordnet. Das Abgas gelangt
beispielsweise über
eine in die erste Festelektrolytschicht eingebrachte Gaszutrittsöffnung zur
zweiten Diffusionsbarriere. Durch die zylindrische Anordnung vergrößert sich
für das
zum Messgasraum diffundierende Messgas die Diffusionsquerschnittsfläche. Damit nimmt
auch das für
Druckpulse zur Verfügung
stehende Speichervolumen von der zweiten Diffusionsbarriere bis
zum Messgasraum hin zu. Damit werden Druckpulse, die sich ausgehend
vom außerhalb
des Sensorelements befindlichen Messgas über die Gaszutrittsöffnung,
die zweite Diffusionsbarriere, den Hohlraum und die erste Diffusionsbarriere
bis in den Messgasraum ausbreiten, durch die Zylindergeometrie zusätzlich abgeschwächt.
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Besonders
wirkungsvoll wird die Ausbreitung von Druckpulsen verringert, wenn
der Außendurchmesser
der zweiten Diffusionsbarriere im Bereich von 0,5 mm bis 1,5 mm,
insbesondere bei 1,0 mm liegt, wenn der Innendurchmesser der ersten
Diffusionsbarriere im Bereich von 0,7 mm bis 2,0 mm, insbesondere
bei 1,5 mm liegt, und/oder wenn der Außendurchmesser der ersten Diffusionsbarriere
im Bereich von 1,5 mm bis 3,0 mm, insbesondere bei 2,3 mm liegt.
Die zweite Diffusionsbarriere kann zylinderförmig sein oder mittig eine
Aussparung mit einem Innendurchmesser im Bereich von 0,25 mm bis
0,7 mm, insbesondere bei 0,5 mm aufweisen.
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Wenn
die Poren beziehungsweise die Schichtdicke der ersten und/oder zweiten
Diffusionsbarriere kleiner ist als die mittlere freie Weglänge zwischen
zwei Stößen von
Gasmolekülen,
so überwiegen
die Wandstöße. Damit ändert sich
der Diffusionsmechanismus von der Gasphasendiffusion zur Knudsendiffusion.
Da nur Teilchenstöße eine
Impulsübergabe
bewirken, sind nur sie für
die Ausbreitung des Druckpulses wirksam. Daher erhöht der Übergang zur
Knudsendiffusion den Strömungswiderstand
und senkt die Wirksamkeit von Druckpulsen. Bevorzugt liegt daher
der mittlere Porendurchmesser einer porösen Diffusionsbarriere bei
höchstens
5 μm, insbesondere
bei höchstens
3 μm. Die
bevorzugte Schichtdicke einer derartigen porösen Diffusionsbarriere beträgt mindestens
15 μm, insbesondere
mindestens 25 μm.
Alternativ kann die erste und/oder zweite Diffusionsbarriere auch
durch einen Hohlraum (also ohne poröse Füllung) mit niedriger Höhe realisiert werden,
wobei die Höhe
der als Hohlraum ausgestalteten Diffusionsbarriere höchstens
10 μm, insbesondere
höchstens
5 μm beträgt.
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Da
durch den Hohlraum die Ausbreitung von Druckpulsen vermindert wird
und da im Hohlraum selbst die Druckpulse noch vorliegen, sind die
Elektroden, die unmittelbar oder mittelbar das Messsignal des Sensorelements
bewirken, nicht im Hohlraum, sondern dem Hohlraum nachgeschaltete,
also im Messgasraum, anzuordnen. Dementsprechend ist im Hohlraum
keine ein katalytisch aktives Material enthaltende Elektrode vorgesehen.
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Unter
einem Hohlraum ist im Sinne dieser Schrift auch ein mit einem porösen Material
gefüllter Raum
zu verstehen, sofern die Gaszirkulation beziehungsweise Gasdiffusion
innerhalb dieses Raums durch das poröse Material nicht wesentlich,
insbesondere deutlich geringer als innerhalb der Diffusionsbarriere,
behindert wird. Eine deutlich geringere Gaszirkulation liegt beispielsweise
vor, wenn der Porenanteil des im Hohlraum angeordneten porösen Materials
mindestens dreimal so groß ist
wie als das poröse
Material der Diffusionsbarriere.
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Zeichnung
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung
näher erläutert.
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Es
zeigen die 1 als erstes Ausführungsbeispiel
der Erfindung einen Längsschnitt
durch ein Sensorelement gemäß der Linie
I – I
in 2, 2 einen Schnitt durch das erfindungsgemäße Sensorelement
gemäß der Linie
II – II
in 1, und 3 einen Ausschnitt eines zweiten
Ausführungsbeispiels der
Erfindung.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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1 und 2 zeigen
als Ausführungsbeispiel
der Erfindung ein planares, schichtförmig aufgebautes Sensorelement 10,
das in einem Gehäuse mittels
einer Dichtanordnung gasdicht angeordnet ist und dem Nachweis des
Sauerstoffpartialdrucks in einem Abgas einer Brennkraftmaschine
dient. In 1 dargestellt ist der die Messelemente
enthaltende messseitige Abschnitt des Sensorelements 10.
Der nicht dargestellte anschlussseitige Abschnitt des Sensorelements 10 enthält den Zuleitungsbereich und
den Kontaktierungsbereich. Der Aufbau des Sensorelements und der
Verbau des Sensorelements im Gehäuse
des Gasmessfühlers
ist beispielsweise in Automotive Electronics Handbook, Editor in chief:
Ronald K. Jurgen, Second Edition, 1999, McGraw-Hill beschrieben.
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Das
Sensorelement 10 weist eine erste, eine zweite und eine
dritte Festelektrolytschicht 21, 22, 23 auf.
In das Sensorelement 10 ist zwischen der ersten und der
zweiten Festelektrolytschicht 21, 22 ein ringförmiger (hohlzylinderförmiger)
Messgasraum 44 eingebracht. In der Mitte des Messgasraums 44 ist
eine erste ringförmige
(hohlzylinderförmige)
Diffusionsbarriere 41 angeordnet, in deren Mitte wiederum
eine zweite Diffusionsbarriere 42 angeordnet ist. Die beiden
Diffusionsbarrieren 41, 42 sind durch einen Hohlraum 43 getrennt.
In die erste Festelektrolytschicht 21 ist eine Gaszutrittsöffnung 45 eingebracht,
die in die Mitte der zweiten Diffusionsbarriere 42 mündet. Das
außerhalb
des Sensorelements 10 befindliche Abgas kann über die
Gaszutrittsöffnung 45,
die zweite Diffusionsbarriere 42, den Hohlraum 43 und
die erste Diffusionsbarriere 41 in den Messgasraum 44 gelangen.
Der Messgasraum 44 ist seitlich von einem Dichtrahmen 25 umgeben
und abgedichtet.
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Zwischen
der ersten und der zweiten Festelektrolytschicht 21, 22 ist
weiterhin ein Referenzgasraum 46 vorgesehen, der vom Messgasraum 44 gasdicht
getrennt ist und der sich in Richtung der Längsachse des Sensorelements 10 erstreckt.
Der Referenzgasraum 46 enthält als Referenzgas ein Gas
mit einem hohen Sauerstoffanteil, beispielsweise Umgebungsluft.
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Zwischen
der zweiten und der dritten Festelektrolytschicht 22, 23 ist
ein Heizelement 51 vorgesehen, das eine Heizerleiterbahn
umfasst, die durch eine Heizerisolierung 52 von den umgebenden Festelektrolytschichten 22, 23 getrennt
ist. Das Heizelement 51 ist seitlich von einem Heizerrahmen 26 umgeben,
der das Heizelement 51 gasdicht abdichtet.
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Im
Messgasraum 44 ist auf der ersten Festelektrolytschicht 21 eine
ringförmige
erste Elektrode 31 und auf der zweiten Festelektrolytschicht 22,
der ersten Elektrode 31 gegenüberliegend, eine ringförmige zweite
Elektrode 32 aufgebracht. Auf der Außenfläche der ersten Festelektrolytschicht 21 ist
eine ringförmige
dritte Elektrode 33 vorgesehen, in deren Mitte die Gaszutrittsöffnung 45 liegt.
Die dritte Elektrode 33 ist mit einer porösen Schutzschicht 35 bedeckt.
Eine vierte Elektrode 34 ist im Referenzgasraum 46 vorgesehen.
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Die
erste und die dritte Elektrode 31, 33 und der
zwischen der ersten und der dritten Elektrode 31, 33 liegende
Festelektrolyt 21 bilden eine elektrochemische Zelle, die
durch eine außerhalb
des Sensorelements 10 angeordnete Beschattung als Pumpzelle betrieben
wird. Die zweite und die vierte Elektrode 32, 34 und
der zwischen der zweiten und der vierten Elektrode 32, 34 liegende
Festelektrolyt 22 bilden eine als Nernstzelle betriebene
weitere elektrochemische Zelle. Die Nernstzelle misst den Sauerstoffpartialdruck
im Messgasraum 44. Die Pumpzelle pumpt derart Sauerstoff
in den oder aus dem Messgasraum 44, dass im Messgasraum 44 ein
Sauerstoffpartialdruck von Lambda=1 vorliegt. Derartige Sensorelemente
sind dem Fachmann als Breitband-Lambda-Sonden bekannt.
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Die
zweite Diffusionsbarriere 42 weist einen Innendurchmesser
von 0,5 mm und einen Außendurchmesser
von 1,0 mm auf. Die erste Diffusionsbarriere 41 weist einen
Innendurchmesser von 1,5 min und einen Außendurchmesser von 2,3 mm auf. Da
der Hohlraum 43 direkt an die erste und zweite Diffusionsbarriere 41, 42 angrenzt,
entspricht der Außendurchmesser
der zweiten Diffusionsbarriere 42 dem Innendurchmesser
des Hohlraums 43 und der Innendurchmesser der ersten Diffusionsbarriere 41 dem
Außendurchmesser
des Hohlraums 43. Weiterhin entspricht der Außendurchmesser
der ersten Diffusionsbarriere 41 dem Innendurchmesser des Messgasraums 44.
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Die
Schichtdicke des Messgasraums 44, der ersten und zweiten
Diffusionsbarriere 41, 42 und des Hohlraums 43,
also der Abstand der ersten von der zweiten Festelektrolytschicht,
liegt bei 30 μm.
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Bei
einer alternativen, nicht dargestellten Ausführungsform ist die zweite Diffusionsbarriere 42 zylindrisch
geformt, wobei die Gaszutrittsöffnung 45 zur
zweiten Diffusionsbarriere 42 mittig angeordnet ist und
in der Schichtebene zwischen der ersten Festelektrolytschicht 21 und
der zweiten Diffusionsbarriere 42 endet.
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Der
in 3 gezeigte Ausschnitt eines zweiten Ausführungsbeispiel
der Erfindung entspricht dem in 2 dargestellten
Querschnitt durch das Sensorelement 10 und unterscheidet
sich vom ersten Ausführungsbeispiel
lediglich dadurch, dass die erste und zweite Diffusionsbarriere 41a, 42a als
Hohlraum mit einer niedrigen Höhe
(also einer geringen Ausdehnung in Richtung senkrecht zur Großfläche des Sensorelements 10)
ausgebildet ist. Die erste und zweite Diffusionsbarriere 41a, 42a,
die sich zwischen der zweiten Festelektrolytschicht 22 und
einem auf der ersten Festelektrolytschicht 21 aufgebrachten Verengungselement 48, 49 befinden,
weisen eine Höhe
von 2,5 μm
auf. Die Verengungselemente 48, 49 können selbstverständlich (einzeln
oder zusammen) auf der zweiten Festelektrolytschicht 22 aufgebracht
sein.
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Die
Erfindung kann selbstverständlich
auch auf mehr als zwei in Diffusionsrichtung hintereinander angeordnete
und durch einen Hohlraum getrennte Diffusionsbarrieren übertragen
werden.