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Stand der Technik
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Die
Erfindung geht aus von einem Sensorelement zur Bestimmung einer
physikalischen Eigenschaft eines Messgases, insbesondere der Konzentration
einer Gaskomponente im Messgas, nach dem Oberbegriff des Anspruchs
1.
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Ein
bekanntes Sensorelement für eine λ = 1-Sonde (
DE 100 54 828 A1 )
weist einen sauerstoffionenleitenden Festelektrolytkörper
auf, in dem ein Referenzgaskanal und ein Heizelement einer elektrischen
Widerstandsheizung angeordnet sind. Auf der Oberfläche
des Festelektrolytkörpers ist eine Außenelektrode
und im Referenzgaskanal eine Referenzelektrode angeordnet, die zusammen
mit dem dazwischenliegenden Festelektrolyten eine elektrochemische
Mess- oder Nernstzelle bildet, die potentiometrisch betrieben ist.
Bei unterschiedlichen Sauerstoffpartialdruck im Mess- und Referenzgas
liegt zwischen der Außenelektrode und der Referenzelektrode
die sog. Nernstspannung an, mit der der Sauerstoffpartialdruck im
Messgas und damit die Sauerstoffkonzentration im Messgas bestimmt
werden kann. Um den Festelektrolyten und die beiden Elektroden der
Nernstzelle gleichmäßig und in der Startphase
schneller aufzuheizen, ist das Heizelement der elektrischen Heizeinrichtung,
das vorzugsweise als mäanderförmige Widerstandsbahn
ausgebildet ist, im Festelektrolytkörper mittig zwischen
den beiden Elektroden angeordnet.
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Ein
bekanntes Sensorelement für eine Breitband-Lambdasonde
(
DE 199 41 051 A1 )
weist einen sauerstoffionenleitenden Festelektrolytkörper
auf, in dem in einer Schichtebene ein Messgasraum und ein Referenzgaskanal
ausgebildet sowie in einer Schichtebene unterhalb der Schichtebene
von Messgasraum und Referenzgaskanal ein als mäanderförmige
Widerstandsbahn ausgebildetes Heizelement einer elektrischen Heizeinrichtung
angeordnet ist. In dem Messgasraum ist eine innere Pumpelektrode und
eine Mess- oder Nernstelektrode angeordnet, die jeweils mit einer
Kontaktfläche an den den Messgasraum begrenzenden Festelektrolyten
liegen. Der Messgaszutritt zum Messgasraum erfolgt über
eine Diffusionsbarriere. In dem Referenzgaskanal, der mit einem
Referenzgas beaufschlagt ist, ist eine Referenzelektrode angeordnet,
die mit der Nernstelektrode und dem Festelektrolyten die Nernstzelle
bildet. Die innere Pumpelektrode bildet zusammen mit einer auf der
Außenfläche des Festelektrolytkörpers
angeordnete, dem Messgas ausgesetzten äußere Pumpelektrode
und dem Festelektrolyten eine Pumpzelle. Die Pumpzelle bewirkt einen
Sauerstofftransport aus dem Messgasraum hinaus bzw. in den Messgasraum hinein.
Die Nernst- oder Konzentrationszelle ermöglicht einen direkten
Vergleich des von der Sauerstoffkonzentration im Messgas abhängigen
Sauerstoffpotentials der Messelektrode mit dem konstanten Sauerstoffpotential
der Referenzelektrode in Form einer messbaren elektrischen Spannung.
Die Höhe der an die Pumpzelle angelegten Pumpspannung ist
so gewählt, dass sich an der Nernstzelle eine konstante Spannung
von beispielsweise 450 mV einstellt. Der zwischen den Elektroden
der Pumpzelle fließende Pumpstrom bildet ein Messsignal,
das proportional der Sauerstoffkonzentration im Messgas ist. Bei
diesem konstruktiven Aufbau des Sensorelements ist die dem Abgas
ausgesetzte äußere Pumpelektrode deutlich weiter
von dem integrierten Heizelement der Heizeinrichtung entfernt als
die innere Pumpelektrode. Während des Aufheizvorgangs entsteht
ein Temperaturgradient von dem integrierten Heizelement über
die innere Pumpelektrode zur äußeren Pumpelektrode.
Da die Pumpzelle zur Funktionsfähigkeit prinzipbedingt
eine bestimmte Temperatur überschreiten muss, muss auch
jede der beiden Pumpelektroden eine Mindesttemperatur überschreiten,
um die Betriebsfähigkeit der Messgassonde sicherzustellen.
Da die Sauerstoffionenleitung bei dem üblicherweise aus
yttriumstabilisierten Zirkoniumoxid bestehenden Festelektrolyten
erst bei Temperaturen einsetzt, die sehr viel größer
als 250°C sind, ist die erforderliche Mindesttemperatur
bei ca. 750°C festgelegt. Die am weitesten vom Heizelement
entfernte Pumpelektrode bzw. die am schlechtesten hinsichtlich Wärmeleitfähigkeit
angekoppelte Elektrode der Pumpzelle bestimmt während der
Aufheizphase die Aufheizzeit, die sog. light off-Zeit des Gassensors.
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Offenbarung der Erfindung
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Das
erfindungsgemäße Sensorelement mit dem Merkmalen
des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass durch die Verbringung der
dem Messgas ausgesetzten äußeren Pumpelektrode
in das Innere des Sensorkörpers auf die von der inneren
Pumpelektrode und der Referenzelektrode abgekehrte Seite des Heizelements
des elektrischen Heizers die äußere Pumpelektrode
deutlich näher am Heizelement liegt und so der Temperaturgradient
zwischen Heizelement und Elektroden und zwischen den Elektroden der
Pumpzelle und den Elektroden der Nernstzelle geringer ist, so dass
die Aufheizzeit des Sensorelements bis zur Betriebsbereitschaft
deutlich kürzer wird. Darüber hinaus ergibt sich
als weiterer Vorteil eine Reduktion der Impedanz der Nernstzelle,
so dass sich auch die zum Betrieb notwendige Pumpspannung reduziert.
Ein verringerter Pumpspannungsbedarf ist vorteilhaft für
die Betriebselektronik, da der Ohmsche Spannungsabfall infolge der
Verringerung der Pumpzellenimpedanz in der Größenordnung
des Faktors 2 reduziert wird. Die vorstehend genannten Vorteile
werden unabhängig davon erzielt, ob ein erheblicher Teil
des Sensorkörpers aus Aluminiumoxid oder sauerstoffionenleitenden
Zirkoniumoxid besteht. Die erfindungsgemäße Ausbildung des
Sensorelements kann sowohl bei der Zweizellen-Breitbandsonde (Breitband-Lambdasonde
mit einem Referenzgas ausgesetzter Referenzelektrode oder mit gepumpter
Referenz) oder bei einer Einzellen-Breitbandsonde, aber auch bei
der Magersonde nach dem Grenzstromprinzip eingesetzt werden.
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Durch
die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch
1 angegebenen Sensorelements möglich.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die
Erfindung ist anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen
in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen in schematisierter Darstellung:
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1 einen
Längsschnitt eines Sensorelements für eine Einzellen-Breitband-Lambdasonde,
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2 eine
vergrößerte Darstellung des Ausschnitts II in 1,
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3 einen
Längsschnitt eines Sensorelements für eine Zweizellen-Breitband-Lambdasonde,
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4 eine
vergrößerte Darstellung des Ausschnitts IV in 3,
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5 eine
gleiche Darstellung wie in 4 eines
Sensorelements für eine Zweizellen-Breitband-Lambdasonde
mit modifizierter Nernstzelle.
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Das
in 1 schematisiert im Längsschnitt dargestellte
Sensorelement für eine Einzellen-Breitband-Lambdasonde
als Ausführungsbeispiel für ein allgemeinen Gassensor,
dient zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration im Messgas, vorzugsweise im
Abgas einer Brennkraftmaschine. Das Sensorelement weist einen planaren,
keramischen Sensorkörper 10 auf, der aus Keramikschichten
zusammengesetzt ist. Die Keramikschichten sind dabei in Form von
Keramikfolien oder von Druckschichten ausgeführt, die auf
die Keramikfolien aufgedruckt sind. Die Keramikschichten bestehen
aus einem sauerstoffionenleitendem Festelektrolyten, z. B. aus einem
yttriumstabilisierten oder -teilstabilisierten Zirkoniumoxid (ZrO2), wobei die unterste Keramikschicht 11 als
Träger für das Heizelement eines elektrischen
Heizers auch aus einem keramischen Isolationsmaterial, z. B. aus
Aluminiumoxid (Al2O3),
bestehen kann. Auf die unterste, als Folie ausgebildete erste Keramikschicht 11 ist
ein als mäanderförmige Widerstandsbahn ausgebildetes
Heizelement 16 eines elektrischen Heizers angeordnet, das
in einer elektrischen Isolierung 17, z. B. aus Aluminiumoxid
(Al2O3), eingebettet
ist. Das Heizelement 16 ist über zwei parallel
verlaufende Leiterbahnen 18, die ebenfalls in der elektrischen Isolierung 17 eingebettet
sind und zwei Durchkontaktierungen 19 mit zwei Anschlusskontakten 20 elektrisch
verbunden, die auf der von dem Heizelement 16 abgekehrten
Oberfläche der ersten Keramikschicht 11, die eine
Außenfläche des Sensorkörpers 10 bildet,
angeordnet sind. Die elektrische Isolierung 17 ist von
einem Rahmen 21 aus einem Festelektrolyten umgeben. Auf
die Isolierung 17 und den Rahmen 21 ist eine zweite
Keramikschicht 12 aufgedruckt, und die zweite Keramikschicht 12 ist
von einer dritten, als Folie ausgebildeten Keramikschicht 13 überdeckt.
In der zweiten Keramikschicht 12 ist ein parallel zur Schichtebene
verlaufender Kanal 22 ausgebildet, der in einer quer zu
den Schichtebenen sich erstreckenden Außenwandfläche 101 des
Sensorkörpers 10 frei mündet. Im dargestellten
Ausführungsbeispiel liegt diese Außenwandfläche 101 des Sensorkörpers 10 an
dessen Stirnseite. Der Kanal 22 kann jedoch auch in einer
Längsseite des Sensorkörpers 10 münden.
Im Kanal 22 ist eine erste Elektrode 23 angeordnet,
die mit einer Elektrodenfläche auf der den Kanal 22 begrenzenden
Oberfläche der dritten Keramikschicht 13 aufliegt.
Zu der ersten Elektrode 23 führt eine auf der
gleichen Oberfläche der dritten Keramikschicht 13 verlaufende
Leiterbahn 24, die über eine Durchkontaktierung 25 mit
einem Anschlusskontakt 26 verbunden ist. Der der ersten
Elektrode 23 vorgelagerte Bereich des Kanals 22 ist
vorzugsweise mit relativ kleinem Querschnitt ausgeführt,
wobei seine in der Schichtebene verlaufende Breite deutlich kleiner
ist als die der Elektrodenoberfläche der ersten Elektrode 23.
Auf die dritte Keramikschicht 13 ist die vierte Keramikschicht 14 aufgedruckt,
und die vierte Keramikschicht 14 ist von der fünften
und letzten, als Folie ausgeführten Keramikschicht 15 überdeckt,
deren Oberfläche eine weitere Außenfläche
des Sensorkörpers 10 bildet. In der vierten Keramikschicht 14 ist
ein Messgasraum 27 ausgebildet, zu dem ein in die fünfte
Keramikschicht 15 eingebrachtes Messgaszutrittsloch 28 mündet.
In dem Messgasraum 27 ist eine zweite Elektrode 29 und
eine dritte Elektrode 30 angeordnet, die miteinander elektrisch
verbunden sind und damit stets auf dem gleichen Spannungspotential
liegen. Die zweite Elektrode 29 liegt mit ihrer einen Elektrodenfläche
auf der von der ersten Elektrode 23 abgekehrten Oberfläche
der dritten Keramikschicht 13 und die dritte Elektrode 30 liegt
mit ihrer einen Elektrodenfläche auf der dem Messgasraum 27 begrenzenden
Oberfläche der fünften Keramikschicht 15 auf.
Dabei sind die erste Elektrode 23 und zweite Elektrode 29 so
ausgeführt, dass die aufeinanderprojizierten Elektrodenflächen eine
Mindestüberdeckung aufweisen, die größer
ist als 25% der Elektrodenfläche der kleineren der beiden
Elektroden 23, 29. Im Ausführungsbeispiel
der 1 ist die erste Elektrode 23 flächenkleiner
als die zweite Elektrode 29 und die dritte Elektrode 30 ist
flächengleich mit der zweiten Elektrode 29. Zwischen der
Mündung des Messgaszutrittslochs 28 im Messgasraum 27 und
den beiden Elektroden 29, 30 ist eine Diffusionsbarriere 31 angeordnet.
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Die
zweite und die dritte Elektrode 29, 30 sind über
eine Leiterbahn 32 und eine Durchkontaktierung 33 mit
einem Anschlusskontakt 34 verbunden. Die Anschlusskontakte 26 für
die erste Elektrode 23 und der Anschlusskontakt 34 für
die zweite und dritte Elektrode 29, 30 sind auf
der die Außenfläche des Sensorkörpers 10 bildenden
Oberfläche der fünften Keramikschicht 15 angeordnet,
wobei die Durchkontaktierung 25 zur Leiterbahn 24 der
ersten Elektrode 23 durch die dritte, vierte und fünfte
Keramikschicht 13, 14, 15 und die Durchkontaktierung 33 zur Leiterbahn 32 der
zweiten Elektrode 29 durch die vierte und fünfte
Keramikschicht 14, 15 hindurchgeführt
ist.
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Die
erste Elektrode 23 und die zweite Elektrode 29 (ebenso
wie die mit dieser elektrisch verbundenen dritte Elektrode 30)
bilden zusammen mit dem Festelektrolyten eine elektrochemische Messzelle, die
mittels eines externen Steuergeräts als Pumpzelle betrieben
wird. Steuergerät und Sensorelement bilden hierbei den
Gassensor, der je nach Auslegung des Steuergeräts eine
Einzellen-Breitbandsonde oder eine Magersonde nach Grenzstromprinzip
ist.
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Als
Einzellen-Breitbandsonde erfolgt durch das Steuergerät
eine getaktete Beschaltung der Elektroden 23 und 29.
Diese ist so ausgelegt, dass bei fettem Messgas (λ < 1) in einem ersten
Zyklusabschnitt Sauerstoff in den Messgasraum 27 gepumpt wird,
der dort mit dem eindiffundierten fetten Messgas reagiert, und in
einem zweiten Zyklusabschnitt der aus der Reaktion übrig
gebliebene Sauerstoff wieder aus dem Messgasraum 27 gepumpt
wird. Der Mittelwert der zwei Pumpströme ist ein Maß für
die Luftzahl λ. Bei magerem Messgas wird durch Anlegen
einer äußeren Beschaltung an die Elektroden 23, 29 durch
das Steuergerät in einem ersten Zyklusabschnitt ein definierter
Sauerstoffstrom in den Messgasraum 27 gepumpt, der mit
dem in den Messgasraum 27 einströmenden, mageren
Messgas überschüssigen Sauer stoff ergibt. Dieser
Sauerstoff wird in einem zweiten Zyklusabschnitt wieder aus dem Messgasraum 27 gepumpt.
Der Mittelwert der beiden Pumpströme ist ein Maß für
die Luftzahl λ.
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Alternativ
kann der Betrieb einer Einzellen-Breitbandsonde derart gestaltet
werden, dass in einem ersten Zeitabschnitt durch Anlegen einer Spannung
an die Elektroden 23 und 29 Sauerstoff von der
Mess- oder Abgasseite in den Messgasraum 27 im Überschuss
hineingepumpt wird, so dass sich auch bei fettem Messgas nach Reaktion
von Sauerstoff mit den Fettgaskomponenten immer eine magere Gasatmosphäre
ausbildet. In einem zweiten Zeitabschnitt wird dann die Nernstspannung
zwischen den Elektroden 23 und 29 gemessen. Daraus
lässt sich ableiten, ob das Messgas einer fetten (Nernstspannung > 450 mV) oder einer
mageren (Nernstpannung < 450
mV) Gaszusammensetzung entspricht. In einem dritten Zeitabschnitt
wird entsprechend der gemessenen Nernstspannung durch Anlegen einer
Spannung Sauerstoff von der Messgasseite in den Messgasraum 27 hinein
gepumpt (im Fall fetten Messgases) oder aus dem Messgasraum 27 hinaus
gepumpt (im Fall mageren Messgases). In einem vierten Zeitabschnitt
wird wieder die Nernstspannung zwischen den Elektroden 23 und 29 gemessen.
Ist diese > 450 mV,
wird im nachfolgenden Zeitabschnitt der Pumpstrom von der Messgasseite in
den Messgasraum 27 hinein erhöht bzw. der Pumpstrom
aus dem Messgasraum 27 hinaus reduziert, je nach vorvorletztem
Zeitabschnitt bzw. letztem Pumpvorgang. Ist die gemessene Pumpspannung < 450 mV wird der
Pumpstrom in einem fünften Zeitabschnitt in den Messgasraum 27 hinein
reduziert bzw. der Pumpstrom aus dem Messgasraum 27 hinaus
erhöht. Die Betriebszustände in den Zeitabschnitten
vier und fünf wiederholen sich fortwährend derart,
dass die jeweils gemessene Pumpspannung möglichst nahe
bei 450 mV liegt. Die Höhe und Polring des Pumpstroms sind
ein Maß für die Luftzahl λ des Messgases.
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Als
Magersonde wird von dem Steuergerät eine äußerte
Spannung an die erste und zweite Elektrode 23, 29 gelegt,
wodurch überschüssiger Sauerstoff aus dem Messgasraum 27 gepumpt
wird. Der Pumpstrom ist ein Maß für die Luftzahl λ.
Eine Messung der Sauerstoffkonzentration ist nur bei sauerstoffreichem
(magerem) Messgas möglich.
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Um
eine bis zur Betriebsbereitschaft der Sonde möglichst kurze
Aufheizzeit des Sensorelements zu erzielen, sind zwischen dem Heizelement 16 einerseits
und den Elektroden 23, 29, 30 andererseits
definierte Abstände eingehalten. Wie 2 zeigt,
sind diese definierten Abstände, die Abstände zwischen
der an einem Festelektrolyten anliegenden Elektrodenfläche
der Elektroden 23, 29, 30, die dem Heizelement 16 näher
liegt als die andere Elektrodenfläche, und der den Elektroden 23, 29, 30 zugekehrten
Oberfläche des Heizelements 16. Die den Abstand
zum Heizelement 16 bestimmende Elektrodenfläche
liegt bei der ersten Elektrode 23 und bei der zweiten Elektrode 29 an
der dritten Keramikschicht 13 und bei der dritten Elektrode 30 an
der fünften Keramikschicht 15 an. Diese Abstände
sind in 2 für die erste Elektrode 23 mit „s",
für die zweite Elektrode 29 mit „t" und
für die dritte Elektrode 30 mit „u" bezeichnet.
Diese Abstände sind so gewählt, dass gilt:
s ≤ 300 μm,
vorzugsweise s ≤ 15O μm,
t ≤ 450 μm,
vorzugsweise t ≤ 250 μm,
u ≤ 500 μm,
vorzugsweise u ≤ 300 μm.
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In
diesem Bemessungsrahmen sind die Abstände s, t, u so gewählt,
dass die Bedingungen
1,5 t ≥ s und 1,5 u ≥ s
erfüllt
sind.
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Beispielhaft
sind die entsprechenden Abstände wie folgt gewählt:
s = 100 μm, t = 140 μm, u = 170 μm. Bei
dieser Bemessung der Elektroden/Heizer-Abstände hat sich
erwiesen, dass die Aufheizzeit der Sonde um 16% kürzer
ist als die einer herkömmlichen Sonde mit einer auf der
Außenfläche des Sensorkörpers 10 liegenden
ersten Elektrode.
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Das
in 3 schematisiert im Längsschnitt skizzierte
Sensorelement unterscheidet sich von dem zuvor beschriebenen Sensorelement
durch eine im Sensorkörper 10 zusätzlich
integrierte, separate Nernstzelle, die von der dritten Elektrode 30 und
einer Referenzelektrode 35 in Verbindung mit dem Festelektrolyten
der Keramikschichten 14, 15 gebildet ist. Die
Referenzelektrode 35 ist auf der der vierten Keramikschicht 14 zugekehrten
Oberfläche der fünften Keramikschicht 15 angeordnet
und über eine auf der gleichen Oberfläche verlaufende
Leiterbahn 36 und eine die fünfte Keramikschicht 15 quer
zur Schichtrichtung durchdringende Durchkontaktierung 37 mit
einem Anschlusskontakt 38 verbunden, der auf der die Außenfläche
des Sensorkörpers 10 bildenden Oberfläche
der fünften Keramikschicht 15 angeordnet ist.
Die Leiterbahn 36 ist bevorzugt in eine elektrische Isolation 39 eingebettet.
Die Nernstzelle arbeitet mit einer gepumpten Referenz in an sich
bekannter Weise. Die Referenzelektrode 35 ist so angeordnet,
dass der Abstand „v" (4) ihrer
an dem Festelektrolyten anliegenden einen Elektrodenfläche,
die dem Heizelement 16 näher liegt als die andere
Elektrodenfläche (das ist die an der vierten Keramikschicht 14 anliegende
Elektrodenfläche), von der der Referenzelektrode 35 zugekehrten
Oberfläche des Heizelements 16 den Bedingungen
v ≤ 500 μm,
vorzugsweise v ≤ 300 μm, und
1,5 t ≥ v
und 1,5 u ≥ v
genügt. Bei den gleichen wie
zu 1 und 2 angeführten Abstandsangaben
für s, u und t ist v = 160 μm gewählt
und erfüllt somit die vorstehenden Bedingungen.
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Wie
bei dem modifizierten Ausführungsbeispiel in 5 dargestellt
ist, kann anstelle einer gepumpten Referenz die Referenzelektrode 35 auch
in einem mit einem Referenzgas, vorzugsweise Umgebungsluft, beaufschlagten
Referenzgaskanal 40 angeordnet sein. Der Referenzgaskanal 40 ist
ebenso wie der Messgasraum 27 in der vierten Keramikschicht 14 ausgebildet
und wird in der Schichtebene von der fünften Keramikschicht 15 und
der dritten Keramikschicht 13 begrenzt. Die Referenzelektrode 35 ist
im dargestellten Beispiel auf die den Referenzgaskanal 40 begrenzende
Oberfläche der fünften Keramikschicht 15 aufgedruckt.
Das Maß „v" ist in gleicher Weise definiert wie
in 4 ist aber, da der dem Heizerelement 16 nächstliegende
Festelektrolyt, an dem die Elektrodenfläche der Referenzelektrode 35 anliegt,
die fünfte Keramikschicht 15 ist, etwas größer als
das Maß „v" in 4. Die zu 4 angegebenen Bedingungen
sind aber auch hier erfüllt. Vorzugsweise wird die Referenzelektrode 35 auf
der den Referenzgaskanal 40 begrenzenden Oberfläche
der dritten Keramikschicht 13 angeordnet, da dann ein besserer
Wärmeübergang von dem Heizelement 16 zu der
Referenzelektrode 35 besteht. In diesem Fall würde
das Maß „v" kleiner als in 4.
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In
beiden Fällen bildet das Sensorelement gemäß 3, 4 und 5 zusammen
mit einem Steuergerät, das an die Anschlusskontakte 20, 26, 34 und 38 des
Sensorelement angeschlossen ist eine Breitbandsonde die die Sauerstoffkonzentration im
Messgas sowohl bei sauerstoffreichem (magerem) Messgas als auch
bei sauerstoffarmem (fettem) Messgas erfaßt. Von dem Steuergerät
wird die Nernstspannung zwischen Referenzelektrode und Innenelektrode
gemessen und ein Stauerstoffstrom aus dem Messgasraum 27 gepumpt,
der geeignet ist, die Nernstspannung auf 450 mV zu regeln. Bei einer Nernstspannung
von 450 mV wird im Messgasraum 27 ein stöchometrisches
Verhältnis des Messgases eingestellt. Der Pumpstrom ist
ein Maß für die Luftzahl λ.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10054828
A1 [0002]
- - DE 19941051 A1 [0003]