DE102005006501A1

DE102005006501A1 - Gasmessfühler

Info

Publication number: DE102005006501A1
Application number: DE102005006501A
Authority: DE
Inventors: Johannes Kanters
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2005-02-14
Filing date: 2005-02-14
Publication date: 2006-08-24
Also published as: JP2008530543A; US20080217174A1; JP4663000B2; WO2006084836A1

Abstract

Es wird ein Gasmessfühler zur Bestimmung der Konzentration einer Gaskomponente in einem Messgas, insbesondere zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration im Abgas von Brennkraftmaschinen, angegeben, der ein auf einem Festelektrolyten angeordnetes Elektrodenpaar, bestehend aus einer Außenpumpelektrode (12) und einer für das über eine Diffusionsbarriere (16) zugeführte Messgas zugänglichen Innenpumpelektrode (13), die getaktet angesteuert und in jeder Taktperiode mit einem Potential wechselnder Polarität belegt sind. Zur Verbesserung der Messgenauigkeit des Gasmessfühlers ohne zusätzliche Elektroden ist zwischen der Diffusionsbarriere (16) und der Innenpumpelektrode (13) ein Hohlraum (17) angeordnet, der als Speichervolumen für den durch den Festelektrolyten gepumpten Sauerstoff dient (Fig. 1).

Description

Die Erfindung geht aus von einem Gasmessfühler zur Bestimmung der Konzentration einer Gaskomponente in einem Messgas, insbesondere zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration im Abgas von Brennkraftmaschinen, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei einem bekannten Gasmessfühler oder Gassensor zur Bestimmung des λ-Wertes in Abgasen von Brennkraftmaschinen (M. Ohsuga & Y. Ohyama " A study on the Oxygen-biased wide range air-fuel ratio sensor for rich and lean air-fuel ratios", Sensors and Actuators, 9 (1986), Seite 287 – 300) ist die Außenpumpelektrode des auf dem Festelektrolyten angeordneten Elektrodenpaars der Atmosphäre ausgesetzt und die Innenpumpelektrode von einer Diffusionsbarriere mit abgestimmter Dicke abgedeckt, die vom Abgas beaufschlagt ist. Das Elektrodenpaar wird getaktet angesteuert und dabei die Innenpumpelektrode und Außenpumpelektrode abwechselnd an ein Potential unterschiedlicher Größe gelegt, wodurch abwechselnd Sauerstoff aus der Atmosphäre in die Diffusionsbarriere hineingepumpt (Einpumpphase) und aus der Diffusionsbarriere zur Atmosphäre hin herausgepumpt (Auspumpphase) wird. Dabei fließt in der Einpumpphase ein Strom von der Innenpumpelektrode zur Außenpumpelektrode, der als sog. bias current oder Biasstrom bezeichnet wird, und in der Auspumpphase ein Pumpstrom von der Außenpumpelektrode zur Innenpumpelektrode, der als sensing current oder Messstrom bezeichnet wird. Der letzte Stromwert in jeder Auspumpphase wird mittels einer Sample and Hold-Schaltung erfasst und liefert das Maß für die Sauerstoffkonzentration als λ-Wert des Abgases. Der letzte Stromwert in jeder Einpumpphase wird ebenfalls mittels einer Sample and Hold-Schaltung erfasst und liefert ein Steuersignal für einen elektrischen Heizer, mit dem die Temperatur des Festelektrolyten auf einen konstanten Wert eingeregelt wird.

Zur getakteten Ansteuerung des Elektrodenpaars liegt dieses im Brückenzweig einer Schalterbrücke aus vier elektronischen Schaltern, von denen zwei in zwei Diagonalzweigen liegende Schalter durch die Taktimpulse eines Taktgenerators und zwei in den beiden anderen Diagonalzweigen liegenden Schalter durch die invertierten und um eine halbe Taktperiode verschobenen Taktimpulse angesteuert werden. Durch das wechselweise Aufsteuern der jeweiligen Schalterpaare werden an das Elektrodenpaar in jeder Taktperiode zwei in der Polarität wechselnde Potentiale gelegt wobei in der Einpumpphase zwischen Innenpumpelektrode und Außenpumpelektrode eine Potentialdifferenz von z.B. 0,3V und in der Auspumpphase zwischen der Außenpumpelektrode und der Innenpumpelektrode eine Potentialdifferenz von beispielweise 0,1 V besteht.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Gasmessfühler mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil einer wesentlich höheren Messgenauigkeit bei der Bestimmung der Konzentration der Gaskomponenten im Messgas, insbesondere bei der Bestimmung der Sauerstoffkonzentration bzw. des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses (λ) in Abgasen. Durch das Vorsehen des Hohlraums zwischen Diffusionsbarriere und der auf dem Festelektrolyten angeordneten Innenpumpelektrode entsteht ein Bereich konstanter Sauerstoffkonzentration, der als Speichervolumen dient. Anders als bei dem eingangs beschriebenen Gassensor muss der Sauerstoff damit nicht in die Diffusionsbarriere eingespeichert werden, wodurch sich die Diffusionsbarriere verkürzt und infolge der verkürzten Diffusionsbarriere das Messsignal verfälscht wird. Wie der eingangs beschriebene bekannte Gassensor besitzt der erfindungsgemäße Gasmessfühler nur zwei Elektroden, was eine kostengünstige Herstellung ermöglicht, und einen weiten λ-Messbereich, der eine wesentliche Erweiterung in den Fettbereich des Abgases erfährt. Durch das Betreiben der Elektroden mit wechselndem Potential wird deren Pumpfähigkeit für Sauerstoff verbessert.

Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Gasmessfühlers möglich.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird als Maß für die Konzentration der Gaskomponente bzw. des λ-Wertes des Abgases der über eine oder mehrere Taktperioden gemessene und gemittelte Pumpstrom herangezogen. Alternativ wird als Maß für die Konzentration der Gaskomponente der in der Ein- und Auspumpphase gemessene und mit einer Zeitkonstanten, die deutlich größer ist als die Periodendauer der Taktung, gefilterte Pumpstrom verwendet.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird die in der Einpumpphase in den Hohlraum eingespeiste Sauerstoffmenge abhängig von der momentanen Sauerstoffkonzentration im Messgas geregelt. Dadurch ergibt sich einerseits im Fettbereich eines Abgases die gewünschte Messbereicherweiterung, während im Magerbereich des Abgases die eingepumpte Sauerstoffmenge stark reduziert wird, um die Pumpelektroden nicht unnötig zu belasten.

Zur Regelung der eingespeisten Sauerstoffmenge wird vorzugsweise der in der Einpumpphase fließende Pumpstrom, der sog. Biasstrom, abhängig von der gemessenen Konzentration der Gaskomponente eingestellt. Anstelle der Vorgabe des Biasstroms kann auch eine bestimmte Ladungsmenge vorgegeben werden, mit der eine äquivalente Sauerstoffmenge in den Hohlraum gepumpt wird. Dies ist dann vorteilhaft, wenn sich die Konstanz des Biasstroms nur schwer erreichen lässt.

Zeichnung
Die Erfindung ist anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 ausschnittweise einen Längsschnitt eines Sensorelements eines Gasmessfühlers für die Abgasmessung von Brennkraftmaschinen, schematisiert,
2 ein Diagramm zur Erläuterung der Funktion des Gasmessfühlers im Magergasbetrieb,
3 ein Diagramm zur Erläuterung der Funktion des Gasmessfühlers im Fettgasbetrieb,
4 ein Blockschaltbild des Gasmessfühlers mit Sensorelement und Steuergerät,
5 bis 8 jeweils ausschnittweise einen Längsschnitt eines Sensorelements des Gasmessfühlers in verschiedenen Modifikationen,
9 ein Blockschaltbild des Gasmessfühlers mit Sensorelement gemäß 8 und Steuergerät.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Der hier beschriebene Gasmessfühler oder Gassensor dient zur Bestimmung der Konzentration einer Gaskomponente in einem Messgas und wird bevorzugt als Lambdasonde zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration im Abgas von Brennkraftmaschinen eingesetzt, mit der das Luft/Kraftstoff-Verhältnis im Abgas von Brennkraftmaschinen, das als sog. λ-Wert angegeben wird, bestimmt wird. Die nachfolgende Beschreibung bezieht sich daher auf einen solchen Gasmessfühler für die λ-Wert-Bestimmung.
Der Gasmessfühler oder Gassensor weist ein in 1 schematisiert im Längsschnitt dargestelltes Sensorelement 11 auf, das üblicherweise in einem Gehäuse aufgenommen und mit seinem gassensitiven Teil dem Abgas ausgesetzt ist. Im gassensitiven Teil ist ein Elektrodenpaar angeordnet, das über Leiterbahnen und einem Anschlussstecker an einer aus dem Gehäuse heraus und zu einem Steuergerät 10 (4) geführten Anschlussleitung angeschlossen ist. Das Elektrodenpaar umfasst eine Außenpumpelektrode 12 und eine Innenpumpelektrode 13, die beide auf einem Festelektrolytkörper 14 angeordnet sind, der z.B. aus yttriumstabilisiertem Zirkoniumoxid (ZrO₂) besteht. Wie in 1 nicht weiter dargestellt ist, ist der Festelektrolytkörper 14 aus einer Mehrzahl von Festelektrolytschichten oder -folien zusammenlaminiert, in dem ein elektrischer Widerstandsheizer 15, der in einer hier nicht dargestellten Isolationsschicht eingebettet ist, angeordnet ist. Der Widerstandsheizer 15 dient zur Einstellung einer konstanten Betriebstemperatur des Festelektrolytkörpers 14. Die Außenpumpelektrode 12 ist auf der Außenseite des Festelektrolytkörpers 14 angeordnet und damit direkt dem Abgas ausgesetzt, während zu der Innenpumpelektrode 13 das Abgas nur über eine Diffusionsbarriere 16 gelangen kann. Im Ausführungsbeispiel der 1 ist im Innern des Festelektrolytkörpers 14 ein Hohlraum 17 ausgebildet, an dem sich ein auf der Außenseite des Festelektrolytkörpers 14 mündender Kanal 18 fortsetzt. Die Innenpumpelektrode 13 ist im Hohlraum 17 auf den Festelektrolytkörper 14 aufgebracht, und der Kanal 18 ist zur Bildung der Diffusionsbarriere 16 mit einem porösen, keramischen Material, z.B. ZrO₂ oder Al₂O₃, vollständig gefüllt.
Das Elektrodenpaar 12, 13 wird von einem Taktgenerator 27 des Steuergeräts 10 (4) getaktet mit einer gewählten Taktfrequenz und gewähltem Taktverhältnis angesteuert, wobei in jeder Taktperiode T die beiden Pumpelektroden 12, 13 mit einem Potential wechselnder Polarität belegt sind. In den Diagrammen der 2 und 3 ist die an das Elektrodenpaar mit 50% Taktverhältnis angelegte Spannung strichliniert dargestellt (Kurve a). In einer sog. Einpumpphase, die im Beispiel einer halben Taktperiode entspricht, ist an die Innenpumpelektrode 13 ein positives Potential (und an die Außenpumpelektrode 12 ein negatives Potential) gelegt. Dadurch wandern negativ geladene Sauerstoffionen durch die Diffusionsbarriere 16 zu der Innenpumpelektrode 13. Als Folge des Sauerstoffionenstroms fließt in der Einpumpphase ein als Bewegung positiver Ladungsträger verstandener Pumpstrom (–I_P), auch Biasstrom genannt, von der Innenpumpelektrode 13 zur Außenpumpelektrode 12. In der sich daran anschließenden Auspumpphase, die sich im Beispiel wiederum über eine halbe Taktperiode erstreckt, liegt an der Außenpumpelektrode 12 ein positives Potential (und an der Innenpumpelektrode 13 ein negatives Potential). Als Folge wandern negativ geladene Sauerstoffionen durch die Diffusionsbarriere 16 zur Außenpumpelektrode, und es fließt ein Pumpstrom (+I_P) von der Außenelektrode 12 zur Innenelektrode 13. Angemerkt sei, dass sowohl Taktverhältnis und Taktfrequenz als auch die angelegte Spannung variiert werden kann. Der Verlauf des Pumpstroms I_P als Bewegung positiver Ladungsträger von der Außenpumpelektrode 12 zur Innenpumpelektrode 13 ist in 2 und 3 ausgezogen dargestellt (Kurve b). Infolge dieser getakteten Ansteuerung des Elektrodenpaars 12, 13 wird in der Einpumpphase Sauerstoff durch den Festelektrolyten in den Hohlraum 17 hineingepumpt und in der Auspumpphase Sauerstoff aus dem Hohlraum 17 über den Festelektrolyten abgepumpt. Neben den durch den Festelektrolyten gepumpten Sauerstoff gelangen verschiedene Abgaskomponenten in den Hohlraum 16, die entweder durch elektrochemische Reaktion an der Innenpumpelektrode 13 Sauerstoff abgeben oder Sauerstoff binden. Die sich dadurch im Hohlraum 17 insgesamt ergebende Sauerstoff-Äquivalent-Konzentration
ist in 2 für den Magergasbetrieb und in 3 für den Fettgasbetrieb jeweils strichpunktiert dargestellt (Kurve c). Es sei angemerkt, dass bei den Diagrammen in 2 und 3 idealisierte Verhältnisse zugrunde gelegt worden sind, um den ablaufenden Mechanismus zu verdeutlichen. In realiter sind die Übergänge in den Kurven b nicht so sprunghaft wie dargestellt, sondern verlaufen kontinuierlich mit geringerer Steigerung.
Im Magergasbetrieb (2) baut sich in der Einpumpphase die Sauerstoff-Äquivalent-Konzentration
im Hohlraum 17 auf (ansteigende Flanke der Kurve c). In der Auspumpphase wird im Hohlraum 17 vorhandener Sauerstoff zunächst abgepumpt (abfallende Flanke von Kurve c). Ist kein Sauerstoff mehr im Hohlraum 17 vorhanden, geht der Pumpstrom I_P zurück (abfallende Flanke von Kurve b). Das durch die Diffusionsbarriere 16 in den Hohlraum 17 diffundierende Magergas bringt Sauerstoff mit, der ebenfalls abgepumpt wird (waagrechter Abschnitt von Kurve b). Über die Taktperiode stellt sich ein mittlerer Pumpstrom I_P ein (Kurve d), der äquivalent ist dem durch die Diffusionsbarriere 16 fließenden Gasstrom und ein Maß für die Sauerstoffkonzentration und damit des Luft-Kraftstoffverhältnisses im Abgas liefert. Der in jeder Taktperiode fließende Pumpstrom I_P wird in einer Messstufe 28 bestehend aus einem Shunt 29 und einem Differenzverstärker 30 des Steuergeräts 10 (4) gemessen und über mehrere Taktperioden gemittelt (Block 19 in 4). Alternativ wird der in der Messstufe 28 gemessene Pumpstrom I_P mit einer Zeitkonstanten, die deutlich größer ist als die Periodendauer T der Taktung, gefiltert (Block 19 in 4).
In 3 sind die anhand von 2 für den Magerbetrieb beschriebenen Verhältnisse für den Fettgasbetrieb dargestellt. In der Einpumpphase reagiert der in den Hohlraum 17 eingepumpte Sauerstoff mit dem Fettgas, das entweder bereits im Hohlraum 17 vorhanden ist oder über die Diffusionsbarriere 16 in den Hohlraum 17 hineindiffundiert, und zwar mit der Gaskomponente CH₄, die durch Bindung von Sauerstoff CO₂ und H₂O entstehen lässt. Der aus der Reaktion übrigbleibende Sauerstoff baut im Hohlraum 17 eine Sauerstoff-Äquivalent-Konzentration
auf (ansteigende Flanke der Kurve c), die wesentlich kleiner ist als bei Magergasbetrieb. In der Auspumpphase wird im Hohlraum 17 vorhandener Sauerstoff zunächst abgepumpt (abfallende Flanke von Kurve c). Wenn kein Sauerstoff mehr im Hohlraum 17 vorhanden ist, geht der Pumpstrom I_P auf Null zurück (abfallende Flanke von Kurve b). Im Hohlraum 17 sammelt sich eindiffundierendes Fettgas, was zu einem Sauerstoffbedarf führt (schräg verlaufender negativer Abschnitt von Kurve c). Der sich ergebende Mittelwert des Pumpstroms I_P (Kurve d) entspricht wiederum dem Gasstrom durch die Diffusionsbarriere 16 und stellt ein Maß für den λ-Wert dar, der kleiner 1 ist.
Durch den in der Einpumpphase fließenden Pumpstrom –I_P, den sog. Biasstrom, wird eine Erweiterung des Messbereichs des Gasmessfühlers im Fettgasbetrieb (Kraftstoffüberschuss) erreicht. Im Magergasbetrieb (Luftüberschuss) wirkt sich dieser Biasstrom ungünstig aus, weil er die durch die elektrochemische Reaktion im Hohlraum 17 sich bildende Sauerstoffmenge und damit den zu pumpenden Sauerstoffstrom noch vergrößert, so dass die Elektroden 12, 13 unnötig stark belastet werden und schneller altern. Um dem zu begegnen, wird die in der Einpumpphase in den Hohlraum 17 eingepumpte Sauerstoffmenge abhängig von der Sauerstoffkonzentration im Abgas, also dem Luft/Kraftstoff-Verhältnis, eingestellt. Dies kann durch Variation des Taktverhältnisses oder durch variable Bemessung des Biasstroms –I_P erreicht werden, so dass der Biasstrom –I_P im Magergasbetrieb ausreichend klein wird, um die Elektroden 12, 13 zu entlasten. Zur Einstellung des Biasstroms wird das am Block 19 im Steuergerät 10 abnehmbare Lambdasignal verwendet, das in ein Filter 20, z.B. PID-Filter, eingespeist wird. Der Ausgang des Filters 20 bestimmt die Größe des Biasstroms.
Alternativ wird im Steuergerät 10 nicht ein bestimmter konstanter Biasstrom in Abhängigkeit von dem Lambdasignal vorgegeben, sondern eine bestimmte Ladungsmenge, die als äquivalente Sauerstoffmenge in den Hohlraum 17 gepumpt wird. Dies ist von Vorteil, wenn sich die Konstanz des Biasstroms nur schwer erreichen lässt.
In dem Steuergerät 10 ist zur fortlaufenden Messung des Innenwiderstandes des Sensorelements 11 eine Sample and Hold-Schaltung 31 an dem Ausgang des Differenzverstärkers 30 angeschlossen, die in jeder Taktperiode den Biasstrom –I_P einmal abtastet und den Abtastwert bis zur nächsten Messung hält. Mit dem gemessenen Widerstandswert lässt sich die Temperatur des Festelektrolyten mit dem im Sensorelement 11 vorhandenen Widerstandsheizer 15 konstant auf Betriebstemperatur einregeln.
In 5, 6 und 7 sind drei Sensorelemente 11 im Längsschnitt ausschnittweise dargestellt, die bezüglich der Anordnung von Pumpelektroden 12, 13, Hohlraum 17 und Diffusionsbarriere 16 modifiziert sind. Bei dem Sensorelement gemäß 5 sind Hohlraum 17 und Diffusionsbarriere 16 als konzentrische Ringe ausgebildet, wobei die Diffusionsbarriere 16 einen auf der Außenfläche des Festelektrolytkörpers 14 mündenden Gaszutrittskanal 21 und der Hohlraum 17 die Diffusionsbarriere 16 umschließt. Die beiden Pumpelektroden 12, 13 sind als Ringelektroden ausgeführt, die durch den Festelektrolyten getrennt sind, wobei wiederum die Außenpumpelektrode 12 auf der Außenseite des Festelektrolytkörpers 14, den Gaszutrittskanal 21 konzentrisch umschließend aufgebracht und die Innenpumpelektrode 13 im Hohlraum 17 angeordnet und ebenfalls auf den Festelektrolytkörper 14 aufgebracht ist.
Im Ausführungsbeispiel der 6 sind Außenpumpelektrode 12 und Innenpumpelektrode 13 auf der Außenseite des Festelektrolytkörpers 14, und zwar auf der gleichen Großfläche, angeordnet. Die Innenpumpelektrode 13 ist unter Ausbildung des Hohlraums 17 von der Diffusionsbarriere 16 überdeckt, die hierzu kastenförmig ausgebildet ist und mit ihren Kastenrändern auf der Außenseite des Festelektrolytkörpers 14 aufliegt. Die Diffusionsbarriere 16 kann noch von einer Schutzschicht 22 überdeckt sein.
Das Sensorelement 11 gemäß 7 unterscheidet sich von dem Sensorelement 11 in 6 nur dadurch, dass die Außenpumpelektrode 12 auf der anderen Großfläche des Festelektrolytkörpers 14 angeordnet ist, die von der die Innenpumpelektrode 13 mit der Diffusionsbarriere 16 tragenden Großfläche abgekehrt ist.
In 8 ist ein Sensorelement 11 dargestellt, das identisch mit dem in 1 aufgebaut ist, aber eine zusätzliche Elektrode auf der Außenseite des Festelektrolytkörpers 14 besitzt, die eine sog. Nernstelektrode 24 bildet und von einer porösen Schutzschicht 23 abgedeckt ist. Mit dieser zusätzlichen Außenelektrode kann mit dem Sensorelement 11 zusätzlich eine Sprung- oder λ = 1-Sonde realisiert werden. Die im Hohlraum 17 angeordnete Innenpumpelektrode 13 wird als Referenzelektrode verwendet, was sich in einfacher Weise dadurch realisieren lässt, dass die Auspumpphase unterdrückt wird, so dass der Hohlraum 17 stets mit Sauerstoff gefüllt bleibt. Wie im Blockschaltbild der 9 dargestellt ist, wird hierzu das Sensorelement im Steuergerät von der Betriebsweise "Breitbandssonde" in die Betriebsweise "Sprungsonde" umgeschaltet, was durch den Schalter 25 in 9 symbolisch angedeutet ist. Im Steuergerät 10 wird damit der Taktgenerator 27 abgeschaltet und eine Referenzstromquelle 26 an das Elektrodenpaar 12, 13 gelegt. Von dem Potential der Nernstelektrode 24 wird der λ-Wert abgeleitet.
Bei dem in verschiedenen Ausführungsvarianten beschriebenen Messfühler kann die auf der Außenseite des Festelektrolytkörpers 14 angeordnete Außenpumpelektrode 12, die den Mess- bzw. Abgas ausgesetzt ist, auch einem Referenzgas, vorzugsweise atmosphärische Luft, ausgesetzt werden, ohne dass sich die Funktion des Messfühlers ändert.
Der Messfühler kann auch zur Bestimmung der Konzentration von Stickoxiden im Abgas von Brennkraftmaschinen eingesetzt werden.
In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel wird im Steuergerät 10 (4) die an dem Elektrodenpaar 12, 13 liegende Pumpspannung vorgegeben. Anstelle der Pumpspannung kann auch der Pumpstrom vorgegeben sein.

Claims

Gasmessfühler zur Bestimmung der Konzentration einer Gaskomponente in einem Messgas, insbesondere zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration im Abgas von Brennkraftmaschinen, mit einem auf einem Festelektrolyten angeordneten Elektrodenpaar, bestehend aus einer Außenpumpelektrode (12) und einer für das über eine Diffusionsbarriere (169 zugeführte Messgas zugänglichen Innenpumpelektrode (13), die getaktet angesteuert und in jeder Taktperiode mit einem Potential wechselnder Polarität belegt sind, so dass in einer Einpumpphase ein Pumpstrom (–I_P) von der Innenpumpelektrode (13) zur Außenpumpelektrode (12) und in einer Auspumpphase ein inverser Pumpstrom (+I_P) von der Außenelektrode (12) zur Innenelektrode (13) fließt, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Diffusionsbarriere (16) und Innenpumpelektrode (13) ein Hohlraum (17) angeordnet ist.
Gasmessfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenpumpelektrode (12) dem Messgas, insbesondere dem Abgas, ausgesetzt ist.
Gasmessfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenpumpelektrode (12) einem Referenzgas, vorzugsweise atmosphärischer Luft, ausgesetzt ist.
Gasmessfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum (17) in einem vorzugsweise aus Festelektrolytschichten zusammengesetzten Festelektrolytkörper (14) ausgebildet ist und in dem Hohlraum (17) ein Messgas-Zutrittskanal (18) mündet und dass die Außenpumpelektrode (12) auf einer Außenfläche des Festelektrolytkörpers (14) und die Innenpumpelektrode (13) im Hohlraum (17) angeordnet ist.
Gasmessfühler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Hohlraum (17) und Diffusionsbarriere (16) als konzentrisch im Festelektrolytkörper (14) angeordnete Ringe ausgebildet sind, dass die Diffusionsbarriere (16) einen auf einer Außenfläche des Festelektrolytkörpers (14) mündenden Messgas-Zutrittskanal (21) umschließt, dass die Außenelektrode (12) ringförmig ausgebildet ist und auf der Außenfläche des Festelektrolytkörpers (14) konzentrisch zur Kanalmündung angeordnet ist und dass die Innenpumpelektrode (13) ringförmig ausgebildet und im Hohlraum (17) aufgenommen ist.
Gasmessfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass Außenpumpelektrode (12) und Innenpumpelektrode (13) auf einer gleichen Außenfläche oder auf voneinander abgekehrten Außenflächen des Festelektrolytkörpers (14) angeordnet sind und dass die Innenpumpelektrode (13) unter Ausbildung des Hohlraums (17) von der Diffusionsbarriere (16) überdeckt ist.
Gasmessfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der über mindestens eine Taktperiode gemessene und gemittelte Pumpstrom (I_P) das Maß für die Konzentration der Gaskomponente im Messgas bildet.
Gasmessfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der gemessene und mit einer Zeitkonstanten, die deutlich größer ist als die Periodendauer der Taktung, gefilterte Pumpstrom (I_P) das Maß für die Konzentration der Gaskomponente im Messgas bildet.
Gasmessfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der in der Einpumpphase von der Innenpumpelektrode (13) zur Außenpumpelektrode (12) fließende Pumpstrom (–I_P) oder eine in der Einpumpphase transportierte Ladungsmenge abhängig von der Konzentration der Gaskomponente im Messgas geregelt ist.
Gasmessfühler nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der gemessene, gemittelte oder gefilterte Pumpstrom (I_P) einem Filter (20), vorzugsweise einem PID-Filter, zugeführt ist, an dessen Ausgang die Regelgröße ansteht.
Gasmessfühler nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer Außenfläche des Festelektrolytkörpers (14), vorzugsweise auf der die Außenelektrode (12) tragenden Außenfläche, eine von einer porösen Schutzschicht (23) abgedeckte Nernstelektrode (24) angeordnet und die Innenpumpelektrode (13) mit einem Referenzgas beaufschlagt ist und dass das Potential der Nernstelektrode (24) das Maß für die Konzentration der Gaskomponente im Messgas bildet.
Gasmessfühler nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass zur Beaufschlagung der Innenpumpelektrode (13) mit Referenzgas die Auspumpphase unterdrückbar ist und dass der Innenpumpelektrode (13) ein Referenzpumpstrom zugeführt ist.