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Stand der Technik
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Die
Erfindung geht aus von bekannten Sensorelementen, welche auf elektrolytischen
Eigenschaften bestimmter Festkörper beruhen, also der Fähigkeit dieser
Festkörper, bestimmte Ionen zu leiten. Derartige Sensorelemente
werden insbesondere in Kraftfahrzeugen eingesetzt, um Luft-Kraftstoff-Gasgemischzusammensetzungen
zu messen, in welchem Fall diese Sensorelemente auch unter der Bezeichnung „Lambdasonde"
bekannt sind und eine wesentliche Rolle bei der Reduzierung von
Schadstoffen in Abgasen, sowohl in Ottomotoren als auch in der Dieseltechnologie,
spielen.
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Mit
der so genannten Luftzahl „Lambda" (λ) wird dabei
allgemein in der Verbrennungstechnik das Verhältnis zwischen
einer tatsächlich angebotenen Luftmasse und einer für
die Verbrennung theoretisch benötigten (d. h. stöchiometrischen)
Luftmasse bezeichnet. Die Luftzahl wird dabei mittels eines oder mehrerer
Sensorelemente zumeist an einer oder mehreren Stellen im Abgastrakt
eines Verbrennungsmotors gemessen. Entsprechend weisen „fette"
Gasgemische (d. h. Gasgemische mit einem Kraftstoffüberschuss)
eine Luftzahl λ < 1
auf, wohingegen „magere" Gasgemische (d. h. Gasgemische
mit einem Kraftstoffunterschuss) eine Luftzahl λ > 1 aufweisen. Neben
der Kraftfahrzeugtechnik werden derartige und ähnliche
Sensorelemente auch in anderen Bereichen der Technik (insbesondere
der Verbrennungstechnik) eingesetzt, beispielsweise in der Luftfahrttechnik
oder bei der Regelung von Brennern, z. B. in Heizanlagen oder Kraftwerken.
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Derartige
Sensorelemente sind mittlerweile in zahlreichen verschiedenen Ausführungsformen bekannt.
Eine Ausführungsform ist die so genannte „Sprungsonde",
deren Messprinzip auf der Messung einer elektrochemischen Potentialdifferenz
zwischen einer einem Referenzgas ausgesetzten Referenzelektrode
und einer dem zu messenden Gasgemisch ausgesetzten Messelektrode
beruht. Referenzelektrode und Messelektrode sind über den
Festelektrolyten miteinander verbunden, wobei aufgrund seiner Sauerstoffionen-leitenden
Eigenschaften in der Regel dotiertes Zirkondioxid (z. B. Yttriumstabilisiertes ZrO
2) oder ähnliche Keramiken als Festelektrolyt
eingesetzt werden. Theoretisch weist die Potentialdifferenz zwischen
den Elektroden gerade beim Übergang zwischen fettem Gasgemisch
und magerem Gasgemisch einen charakteristischen Sprung auf, welcher
genutzt werden kann, um die Gasgemischzusammensetzung um den Sprungpunkt λ =
1 aktiv zu regeln. Verschiedene Ausführungsbeispiele derartiger
Sprungsonden, welche auch als „Nernst-Zellen" bezeichnet
werden, sind beispielsweise in
DE 10 2004 035 826 A1 ,
DE 199 38 416 A1 und
DE 10 2005 027 225
A1 beschrieben.
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Alternativ
oder zusätzlich zu Sprungsonden kommen auch so genannte „Pumpzellen"
zum Einsatz, bei denen eine elektrische „Pumpspannung"
an zwei über den Festelektrolyten verbundene Elektroden
angelegt wird, wobei der „Pumpstrom" durch die Pumpzelle
gemessen wird. Im Unterschied zum Prinzip der Sprungsonden stehen
bei Pumpzellen in der Regel beide Elektroden mit dem zu messenden
Gasgemisch in Verbindung. Dabei ist eine der beiden Elektroden (zumeist über
eine durchlässige Schutzschicht) unmittelbar dem zu messenden
Gasgemisch ausgesetzt. Die zweite der beiden Elektroden ist jedoch
derart ausgebildet, dass das Gasgemisch nicht unmittelbar zu dieser
Elektrode gelangen kann, sondern zunächst eine so genannte „Diffusionsbarriere" durchdringen
muss, um in einen an diese zweite Elektrode angrenzenden Hohlraum
zu gelangen. Als Diffusionsbarriere wird dabei zumeist eine poröse
keramische Struktur mit gezielt einstellbaren Porenradien verwendet.
Tritt mageres Abgas durch diese Diffusionsbarriere hindurch in den
Hohlraum ein, so werden mittels der Pumpspannung Sauerstoffmoleküle an
der zweiten, negativen Elektrode elektrochemisch zu Sauerstoffionen
reduziert, durch den Festelektrolyten zur ersten, positiven Elektrode
transportiert und dort als freier Sauerstoff wieder abgegeben. Die
Sensorelemente werden zumeist im so genannten Grenzstrombetrieb
betrieben, das heißt in einem Betrieb, bei welchem die
Pumpspannung derart gewählt wird, dass der durch die Diffusionsbarriere
eintretende Sauerstoff vollständig zur Gegenelektrode gepumpt
wird. In diesem Betrieb ist der Pumpstrom näherungsweise
proportional zum Partialdruck des Sauerstoffs im Abgasgemisch, so
dass derartige Sensorelemente häufig auch als Proportionalsensoren
bezeichnet werden. Im Gegensatz zu Sprungsensoren lassen sich derartige
Proportionalsensoren als so genannte Breitbandsensoren über einen
vergleichsweise weiten Bereich für die Luftzahl Lambda
einsetzen. Derartige Breitbandsonden sind beispielsweise in
DE 38 09 154 C1 und
in
DE 199 38 416 A1 beschrieben.
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In
vielen Sensorelementen werden die oben beschriebenen Sensorprinzipien
auch kombiniert, so dass die Sensorelemente ein oder mehrere nach dem
Sprungsensor-Prinzip arbeitende Sensoren („Zellen") und
ein oder mehrere Proportionalsensoren enthalten. So lässt
sich beispielsweise das oben beschriebene Prinzip eines nach dem
Pumpzellen-Prinzip arbeitenden „Einzellers" durch Hinzufügen
einer Sprungzelle (Nernstzelle) zu einem „Doppelzeller” erweitern.
Ein derartiger Aufbau ist beispielsweise in
EP 0 678 740 B1 beschrieben.
Dabei wird mittels einer Nernstzelle der Sauerstoffpartialdruck
in dem oben beschriebenen, an die zweite Elektrode angrenzenden
Hohlraum gemessen und die Pumpspannung durch eine Regelung so nachgeführt,
dass im Hohlraum stets die Bedingung λ = 1 herrscht.
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Zur
Bestimmung des Sauerstoffgehalts im Abgas werden die mehrzelligen
Sensorelemente als amperometrische Gassensoren eingesetzt, wobei
typischerweise Gassensoren mit drei Elektroden verwendet werden.
Zwischen einer meist unter einer Schutzschicht liegenden äußeren
Pumpelektrode (APE) und einer hinter einer Diffusionsbarriere angeordneten
inneren Pumpelektrode (IPE) wird eine Pumpspannung angelegt. Durch
Messung der Nernstspannung, die sich zwischen IPE und einer in einer
Referenzluft angeordneten Referenzelektrode (RE) einstellt, wird
mindestens das Vorzeichen der Pumpspannung, besser noch das Vorzeichen
und der Betrag der Pumpspannung, zwischen APE und IPE dynamisch
eingestellt. So werden bei magerem Abgas Sauerstoffionen von der
IPE zur APE gepumpt (positive Pumpspannung). Da die nachströmende Sauerstoffmenge
durch die Diffusionsbarriere begrenzt wird, ist der gemessene IPE-APE-Pumpstrom ein
Maß für die Sauerstoffmenge im Abgas. Im fetten Abgas
hingegen werden Wasser oder Kohlendioxid an der APE zerlegt und
Sauerstoffionen von dort zur IPE gepumpt (negative Pumpspannung).
Dort reagieren der eingepumpte Sauerstoff mit Wasserstoff und Kohlenmonoxid
ab, die in ihrem Nachstrom wiederum durch die Diffusionsbarriere
begrenzt sind. Durch die Messung der Spannung zwischen IPE und RE
wird sichergestellt, dass nicht zu viel Sauerstoff eingepumpt wird,
sondern gerade nur so viel, dass sich an der IPE der Zustand λ =
1 ergibt (d. h. ein Zustand, in welchem Fettgase gerade abgesättigt
sind). Dadurch ist der Pumpstrom auch im fetten Luftzahlbereich
ein Maß für das Sauerstoffdefizit im Abgas. Beispiele
derartiger Sensorelemente sind in Robert Bosch GmbH: „Sensoren
im Kraftfahrzeug", 2001, S. 116–117 beschrieben.
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Nachteilig
an den mehrzelligen Aufbauten der Sensorelemente, wie beispielsweise
dem zuvor beschriebenen Doppelzellen-Aufbau, ist jedoch die Komplexität
derartiger Sensorelemente. Insbesondere die Anzahl der Elektroden
und/oder die Anzahl der Zuleitungen zu diesem Elektroden stellt
einen erheblichen Kostenfaktor dar, welcher nach Möglichkeit
reduziert werden sollte. Insofern wäre es vorteilhaft,
auf Einzeller-Anordnungen zurückgreifen zu können. Derartige
Einzeller-Anordnungen mit zwei dem Gasgemisch ausgesetzten Elektroden
weisen jedoch in der Praxis insbesondere das Problem auf, dass kein eindeutiger
Zusammenhang zwischen dem Pumpstrom und der Gasgemischzusammensetzung besteht.
So wird in der Regel bei einer festen Pumpspannung in einem mageren
Gasgemisch ein positiver Pumpstrom (Magerpumpstrom) gemessen. Im fetten
Gasgemisch wird jedoch in der Regel ebenfalls ein positiver Pumpstrom
verzeichnet, selbst wenn die angelegte Pumpspannung (in der Regel
ca. 400 bis 700 mV, beispielsweise 500 mV) deutlich unterhalb der
Zersetzungsspannung von Wasser (ca. 1,23 V) liegt. Dieser positive
Pumpstrom im fetten Bereich ist im Wesentlichen auf den im Gasgemisch
enthaltenen molekularen Wasserstoff oder andere Brenngase zurückzuführen,
welcher das elektrochemische Potenzial der Anode beeinflusst, da
nun an der ersten Elektrode aus den aus dem Festelektrolyten austretenden
Sauerstoffionen statt molekularem Sauerstoff Wasser gebildet werden
kann. Die bei der H2O-Bildung an der Anode
freiwerdende Energie kompensiert somit die zur H2O-Zersetzung
an der Kathode benötigte Energie, weshalb die Pumpspannung
in der Regel unter 1,23 V liegt. Ähnliche Effekte spielen auch
für andere im Gasgemisch vorhandene, Sauerstoffliefernde
Redox-Systeme eine Rolle, beispielsweise CO2/CO.
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Wünschenswert
wäre daher ein Sensorelement sowie ein Verfahren zum Betrieb
eines derartigen Sensorelements, welche mit möglichst wenig Elektroden
und/oder Zuleitungen auskommen und welche es dennoch ermöglichen,
den Sauerstoffgehalt über einen möglichst breiten
Luftzahlbereich zu messen.
DE 10 2005 054 144 A1 beschreibt daher einen
Gassensor mit einer Außenelektrode und einer Innenelektrode,
welche jeweils durch Diffusionsbarrieren von einem Messraum getrennt
sind. Dabei weisen die beiden Diffusionsbarrieren unterschiedliche Diffusionskoeffizienten
auf. Es wird eine Schaltung vorgesehen, welche durch Umpolen der
Pumpspannung und einen Vergleich der Pumpströme vor und nach
dem Umpolen eingerichtet ist, um fette Luftzahlbereiche von mageren
Luftzahlbereichen zu unterscheiden. Problematisch an der in
DE 10 2005 054 144
A1 vorgeschlagenen Anordnung und dem vorgeschlagenen Messverfahren
ist jedoch, dass das Umschalten der Pumpspannungen schnell durchgeführt werden
muss, was aufgrund der Kapazitäten der Anordnung nicht
beliebig schnell erfolgen kann. Es muss jedoch für den
praktischen Einsatz eine Sensorgeschwindigkeit erreicht werden,
die den Sensor zur Lambda-Regelung in Kraftfahrzeugen, insbesondere
in Pkws, qualifiziert. Dazu müssen Lambda-Variationen mit
einem Takt von wenigen Hertz zuverlässig erkannt werden,
so dass eine Zeitauflösung von mindestens 100 bis 200 ms
erforderlich ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß werden
daher ein Verfahren zur Bestimmung mindestens einer physikalischen
Eigenschaft eines Gases in mindestens einem Messgasraum sowie einer
Sensoranordnung zur Bestimmung mindestens einer physikalischen Eigenschaft
eines Gases in einem Messgasraum vorgeschlagen, welche die oben
beschriebenen Nachteile des Standes der Technik zumindest weitgehend
vermeiden. Insbesondere können das beschriebene Verfahren
und die Sensoranordnung zur Bestimmung einer Konzentration, insbesondere
eines Partialdrucks, einer Gaskomponente eingesetzt werden, wobei
jedoch auch andere physikalische Eigenschaften des Gases messbar
sein können. Insbesondere können das Verfahren
und die Sensoranordnung zur Bestimmung einer Sauerstoffkonzentration
im Abgas einer Brennkraftmaschine eingesetzt werden, insbesondere
unter Verwendung einer Lambdasonde, beispielsweise gemäß dem
oben beschriebenen Stand der Technik.
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Das
vorgeschlagene Verfahren und die vorgeschlagene Sensoranordnung
sind insbesondere für schnelle, transiente Messungen geeignet,
also Messungen, bei denen anstelle einer kontinuierlichen Strom-
und/oder Spannungsmessung nacheinander mehrere Operationen ausgeführt
werden. Diese Operationen können Messvorgänge
sein, zum Beispiel die Messung eines Pumpstroms bei festgehaltener
Pumpspannung, die Messung eines Spannungsverlaufs zwischen Elektroden
im stromlosen Betrieb oder ähnliches. Zu einer derartigen
transienten Messung können aber auch Pumpvorgänge
gehören, bei denen zum Beispiel eine definierte Sauerstoffmenge
von einer Elektrode zur nächsten gepumpt wird oder ein
gezielter Wechsel in der Pumpspannung, verbunden mit der Umladung
von Elektroden. Beispielsweise können ein bis zwei Pumpvorgänge
mit ein bis zwei Messvorgängen zu einem Zyklus kombiniert
werden, um aus einer geschickten Verrechnung der erhaltenen Einzelmesswerte
einen eindeutigen und möglichst genauen Wert für
Lambda zu ermitteln. Ein Beispiel einer derartigen transienten Messung
ist das oben beschriebene Messverfahren der
DE 10 2005 054 144 A1 .
Viele andere Ausführungsformen derartiger transienter Messverfahren sind
denkbar.
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Ein
Grundgedanke der vorliegenden Erfindung besteht in der Erkenntnis,
dass die oben beschriebenen transienten Messverfahren durch die Umladung
von mit Elektroden verbundenen Kapazitäten, insbesondere
Doppelschichtkapazitäten, Hohlraumgaskapazitäten
oder ähnlichen Kapazitäten, limitiert sind. Idealerweise
kann ein Umladen von Elektroden bzw. Kapazitäten in der
Größenordnung einer Zeitdauer von T = RC liegen,
wobei R ein Zuleitungs- und Elektrolyt-Widerstand ist und wobei
C die Elektrodenkapazität ist. Insofern besteht eine physikalische
Limitierung der Frequenz der transienten Messverfahren, welche auf
Bauteilseite nur durch aufwändige Umgestaltungen der Sensorelemente
erhöht werden kann, beispielsweise durch Verringerung der
Widerstände und Kapazitäten. Um derartige aufwändige
Umgestaltungen vorzugsweise vollständig zu vermeiden, kommen
die vorgeschlagene Sensoranordnung und das vorgeschlagene Verfahren vorzugsweise
ganz ohne ein Umpolen der Elektroden oder fast ganz ohne eine Umladung
dieser Elektroden aus, so dass eine derartige Begrenzung überwunden
werden kann. Ein Grundgedanke für diese Vermeidung einer
Umladung besteht darin, bei einer Beaufschlagung einer Pumpzelle
mit unterschiedlichen Pumpspannungen, insbesondere mit Pumpspannungen
umgekehrter Polarität, verschiedene Teilelektroden zu verwenden,
so dass eine Umladung der Doppelschichtkapazität auf den
jeweils anderen Teilelektroden vermieden werden kann. Jede Teilelektrode
wird dann vorzugsweise immer mit der gleichen Polarität
betrieben. Auf diese Weise ist ein schnelles Umpolen der Elektroden
möglich. Das beschriebene Verfahren und die Sensoranordnung
weisen daher erheblich höhere mögliche Frequenzen
für transiente Verfahren auf. Insbesondere bei einem Gaswechsel über λ =
1 hinweg müssen die einzelnen Teilelektroden vorzugsweise
ihre Polarität nicht ändern. Sensorsignale nehmen
daher erheblich schneller ihre neuen Zielwerte an.
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Ein
weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass
der Aufbau der Sensorelemente stark vereinfacht werden kann. Trotz
Verwendung mehrerer Teilelektroden werden Aufbauten vorge schlagen,
welche lediglich mit wenigen Anschlusskontakten auskommen und mittels
derer dennoch das vorgeschlagene Verfahren umsetzbar ist. Auf diese
Weise lassen sich Herstellverfahren vereinfachen, Kosten senken
und Bauteilausfälle vermeiden.
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Das
vorgeschlagene Verfahren und die vorgeschlagene Sensoranordnung
verwenden mindestens ein Sensorelement mit mindestens einer Pumpzelle.
Diese Pumpzelle verfügt über mindestens eine erste
Elektrode und mindestens eine zweite Elektrode und mindestens einen
die erste Elektrode und die zweite Elektrode verbindenden Festelektrolyten.
Beispielsweise kann es sich wiederum um einen Zirkondioxid-Festelektrolyten
handeln, welcher insbesondere für den Transport von Sauerstoffionen
geeignet ist. Mindestens eine der beiden Elektroden sollte mittelbar
oder unmittelbar mit Gas aus dem Messgasraum beaufschlagbar sein.
Diese Beaufschlagung kann beispielsweise über eine einfache
gasdurchlässige Schutzschicht (beispielsweise eine poröse
Keramikschutzschicht), über einen Verbindungskanal, ohne
Zwischenschaltung jeglicher Zwischenschichten, unter Zwischenschaltung
einer Pumpzelle, unter Zwischenschaltung einer Diffusionsbarriere
oder auf ähnliche Weise geschehen, die einen Zugang von Gas
aus dem Messgasraum zu dieser Elektrode ermöglicht. Verschiedene
Aufbauten werden nachfolgend beschrieben.
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Bei
dem vorgeschlagenen Verfahren wird, in Umsetzung des oben beschriebenen
Gedankens, die Pumpzelle zunächst mit mindestens einer
ersten Pumpspannung und dann mit mindestens einer zweiten Pumpspannung
beaufschlagt. Beispielsweise kann dies durch einzelne Spannungsbeaufschlagungen
erfolgen und/oder im Rahmen beispielsweise einer Beaufschlagung
mit einer Wechselspannung. Insbesondere können die beiden
Pumpspannungen unterschiedliche Polaritäten aufweisen.
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Dabei
wird das erfindungsgemäße Verfahren derart durchgeführt,
dass mindestens eine Elektrode aus der ersten Elektrode und/oder
der zweiten Elektrode mehrteilig ausgebildet ist und mindestens
zwei Teilelektroden aufweist, wobei für die Beaufschlagung
mit der ersten Pumpspannung mindestens eine erste Teilelektrode
verwendet wird und wobei für die Beaufschlagung mit der
mindestens einen zweiten Pumpspannung mindestens eine von der ersten
Teilelektrode verschiedene zweite Teilelektrode verwendet wird.
Die Sensoranordnung weist neben einem Sensorelement gemäß der
obigen Beschreibung weiterhin eine elektrische Schaltung auf, welche
zur Umsetzung des beschriebenen Verfahrens geeignet ist, welche
also dafür sorgt, dass für die unterschiedlichen
Pumpspannungen unterschiedliche Teilelektroden verwendet werden.
Die elektrische Schaltung kann beispielsweise ganz oder teilweise
in dem Sensorelement integriert sein, kann jedoch auch ganz oder
teilweise extern (beispielsweise in einer Sensorsteuerung) untergebracht
sein. Insbesondere kann die elektrische Schaltung bzw. die Sensoranordnung derart
ausgestaltet sein, dass diese zur Umsetzung eines oder mehrerer
der im folgenden beschriebenen Verfahren eingerichtet ist bzw. sind.
Zu diesem Zweck können geeignete elektronische Komponenten
vorgesehen sein, beispielsweise passive und/oder aktive elektronischen
Komponenten und/oder Datenverarbeitungseinrichtungen, Spannungs-
und/oder Stromquellen, Spannungs- und/oder Strommessvorrichtungen
oder Kombinationen der genannten Elemente und/oder anderer Elemente.
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Grundsätzlich
kann das Verfahren ein beliebiges transientes Messverfahren, mittels
dessen auf die mindestens physikalische Eigenschaft des Gases geschlossen
werden kann, umfassen. Als Beispiel kann wiederum das in
DE 10 2005 054 144
A1 beschriebene Messverfahren genannt werden, bei welchem
zunächst bei einer ersten Polarität der Pumpspannung
(erste Pumpspannung) ein Pumpstrom gemessen wird, anschließend
umgepolt wird (zweite Pumpspannung) und wiederum der Strom gemessen wird.
Da die Pumpzelle üblicherweise eine Asymmetrie in den Pumprichtungen
aufweist, kann aus einem Vergleich der Pumpströme darauf
geschlossen werden, ob beispielsweise ein fetter oder magerer Luftzahlbereich
vorliegt. Dieser Vergleich kann auch beispielsweise auch dadurch
herbeigeführt werden, dass der gemessene Pumpstrom bei
positiver Pumpspannung und der gemessene Pumpstrom bei negativer
Pumpspannung auf geeignete Weise kombiniert werden zu einer eindeutigen
Messgröße, also einer Messgröße,
aus welcher unmittelbar auf die physikalische Eigenschaft des Gases
geschlossen werden kann, beispielsweise die Sauerstoffkonzentration. Beispielsweise
können die beiden Pumpstromwerte einfach addiert werden,
oder es kann jeweils der kleinere dieser beiden Pumpstromwerte (Minimum) und/oder
der größere dieser beiden Pumpstromwerte (Maximum)
verwendet werden. Grundsätzlich ist auch eine beliebige
Linearkombination des größeren und des kleineren
Wertes der gemessenen Pumpströme möglich.
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Um
die Kennlinien bei fettem und magerem Betrieb weiter unterscheiden
zu können, kann die beschriebene Asymmetrie der Pumpströme
künstlich verstärkt bzw. eingestellt werden. So
kann insbesondere die Sensoranordnung derart gewählt werden, dass
die erste Elektrode über eine erste Verbindung und die
zweite Elektrode über eine zweite Verbindung mit dem Messgasraum
in Verbindung stehen. Diese erste bzw. zweite Verbindung können
jeweils eine Diffusionsbarriere (erste bzw. zweite Diffusionsbarriere)
umfassen. Die Verbindungen können dabei derart eingerichtet
sein, dass die erste Elektrode und die zweite Elektrode unterschiedliche
Grenzströme aufweisen. Dies kann beispielsweise durch eine Asymmetrie
in den Verbindungen, in der Elektrodengeometrie oder auf ähnliche
Weise erfolgen. Der Grenzstrom einer Elektrode ist dabei definiert
als der Sättigungs-Pumpstrom, das heißt der maximale Pumpstrom,
welcher bei Steigerung der Pumpspannung zwischen den mindestens
zwei Elektroden erreichbar ist. Dieser Grenzstrom kann beispielsweise für
Sauerstoff und Sauerstoffionentransport durch den Festelektrolyten
definiert werden als derjenige Strom, welcher erreicht wird, wenn
alle Sauerstoffmoleküle, welche die als Kathode betriebene
Elektrode erreichen, vollständig durch den Festelektrolyten zur
Anode transportiert werden. Üblicherweise wird das Sensorelement
mit diesem Grenzstrom betrieben, das heißt mit einer ausreichenden
Pumpspannung, so dass dieser vollständige „Abtransport"
ankommender Gasmoleküle erreicht wird. In diesem Betrieb
ist der Pumpstrom näherungsweise proportional zur Gasmolekülkonzentration.
Der Grenzstrom der entgegengesetzten Elektrode, welche zuvor als Anode
betrieben wurde, wird dementsprechend experimentell durch Umpolen
bestimmt, so dass nunmehr die vormalige Anode als Kathode betrieben wird.
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Die
Einstellung der unterschiedlichen Grenzströme beider Elektroden
bzw. der beiden Verbindungen der Elektroden, in Kombination mit
den jeweiligen Elektroden, kann insbesondere dadurch erfüllt werden,
dass in einer oder in beiden Verbindungen Diffusionsbarrieren vorgesehen
werden, mit jeweils einem ersten bzw. zweiten Diffusionswiderstand.
Dabei sind die Diffusionsbarrieren vorzugsweise derart gewählt,
dass sich die Diffusionswiderstände dieser beiden Diffusionsbarrieren
der beiden Verbindungen um einen Faktor von mindestens 1,1, vorzugsweise um
einen Faktor zwischen 1,5 und 3 (bzw. um die Kehrwerte dieser Zahlen)
unterscheiden. Der Diffusionswiderstand ist dabei derjenige Widerstand,
welchen eine Diffusionsbarriere einem Konzentrationsunterschied Δc
zwischen beiden Seiten der Diffusionsbarriere der Länge
l und des Querschnitts A entgegensetzt und welcher somit eine Diffusion
(Strom I
Gas) behindert:
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Der
Diffusionskoeffizient D setzt sich (invers additiv) aus den Diffusionskoeffizienten
für die Gasphasendiffusion und für die Knudsen-Diffusion
zusammen, welche beide unterschiedliche Temperaturabhängigkeiten
aufweisen. Für die Ausgestaltung der Diffusionswiderstände
kann beispielsweise dasselbe Diffusionsmedium (zum Beispiel ein
poröses Material) für die beiden Diffusionsbarrieren
eingesetzt werden, jedoch in unterschiedlichen Schichtdicken und/oder
unterschiedlichen Querschnitten. Auch unterschiedliche Diffusionsmedien
sind einsetzbar, um die Diffusionswiderstände anzupassen.
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Alternativ
oder zusätzlich zu den oben beschriebenen Verfahren und
Sensorelementen können Sensorelemente eingesetzt werden,
welche mindestens einen Hohlraum umfassen. beispielsweise kann dieser
Hohlraum einen gasdicht abgeschlossenen Hohlraum umfassen, also
einen Hohlraum, welcher gegenüber dem Messgasraum und/oder
einem Referenzraum (zum Beispiel einem Referenzkanal oder ähnlichem)
derart abgedichtet ist, dass das Eindringen von Gas in den Hohlraum
gegenüber Pumpprozessen vernachlässigbar ist.
Alternativ oder zusätzlich kann der Hohlraum jedoch auch
durch eine Verbindung, beispielsweise ein Gaszutrittsloch oder ähnliches,
mit dem Messgasraum und/oder einem anderen Raum verbunden sein,
wobei in der Verbindung eine Diffusionsbarriere aufgenommen ist.
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Wird
ein derartiger Hohlraum verwendet, insbesondere ein gasdicht abgeschlossener
Hohlraum, so kann das Sensorelement derart betrieben werden, dass
mittels der Pumpzelle mindestens ein Partialdruck mindestens einer
Gaskomponente in dem Hohlraum auf einen Sollwert geregelt wird.
Insofern kann beispielsweise auf das oben beschriebene Verfahren
zum Betrieb einer Breitbandsonde verwiesen werden, welches beispielsweise
in Robert Bosch GmbH: „Sensoren im Kraftfahrzeug",
2001, Seiten 116 bis 117, beschrieben ist. Auch andere, ähnliche Verfahren
sind jedoch einsetzbar.
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Die
erfindungsgemäße beschriebene Idee der Verwendung
unterschiedlicher Teilelektroden für unterschiedliche Polaritäten
kann genutzt werden, um die Regelung des Partialdrucks in dem Hohlraum besonders
schnell auszugestalten, da für unterschiedliche Polaritäten,
das heißt unterschiedliche Pumprichtungen, beispielsweise
unterschiedliche Teilelektroden verwendet werden können,
ohne dass ein Umladen der Elektroden erforderlich ist. Insbesondere
kann auch ein Pulsweitenmodulationsverfahren zur Regelung eingesetzt
werden, welches technisch besonders leicht zu realisieren ist, beispielsweise
unter Verwendung einer Wechselspannung mit rechteckförmigem
Verlauf und Variation der positiven bzw. negativen Phasen dieser
Wechselspannung. Auf diese Weise kann, wenn mindestens eine der
Elektroden der Pumpzelle in dem Hohlraum angeordnet ist, der Partialdruck
der zu regelnden Gaskomponente schnell und zuverlässig
eingestellt werden.
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Beispielsweise
kann zu diesem Zweck ein Referenzhohlraum und/oder mindestens ein
Referenzluftkanal vorgesehen sein, in welchem ein im Wesentlichen
bekannter Partialdruck der mindestens einen zu regelnden Gaskomponente
herrscht. In diesem Fall kann in dem Referenzhohlraum und/oder dem
Referenzluftkanal mindestens eine Referenzelektrode angeordnet sein.
Dabei kann eine Referenzspannung zwischen dieser Referenzelektrode
und einer in dem Hohlraum angeordneten Messelektrode, welche auch
ganz oder teilweise identisch sein kann mit einer der oben genannten
Elektroden, eine Referenzspannung gemessen werden, um mittels dieser Referenzspannung
den Partialdruck in dem Hohlraum zu regeln.
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Weiterhin
kann, alternativ oder zusätzlich, der Festelektrolyt auch
ganz oder teilweise als poröser Festelektrolyt ausgestaltet
sein und als Diffusionsbarriere zwischen dem Messgasraum und dem Hohlraum
wirken. In diesem Fall sind also die Diffusionsbarriere und der
Festelektrolyt zumindest teilweise identisch.
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Die
Aufteilung mindestens einer der Elektroden in mehrere Teilelektroden
erlaubt weiterhin einen besonders einfachen Aufbau der Sensoranordnung. So
kann insbesondere eine erste Teilelektrode auf eine Oberseite des
Sensorelements (welches insbesondere einen Schichtaufbau umfassen
kann) angeordnet sein und eine zweite Teilelektrode auf einer Unterseite
des Sensorelements. Weiterhin können sowohl die erste Elektrode
als auch die zweite Elektrode jeweils mindestens eine erste Teilelektrode
und mindestens eine zweite Teilelektrode aufweisen. In diesem Fall
können insbesondere die ersten Teilelektroden und die zweiten
Teilelektroden jeweils durch unterschiedliche Festelektrolyten miteinander
verbunden sein.
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Wie
oben beschrieben, lässt sich das vorgeschlagene Verfahren
insbesondere dadurch realisieren, dass die Sensoranordnung eine
elektrische Schaltung aufweist, welche zur Durchführung
des Verfahrens eingerichtet ist. Diese elektrische Schaltung lässt
sich auf verschiedene Weisen realisieren, um sicherzustellen, dass
für die unterschiedlichen Pumpspannungen unterschiedliche
Teilelektroden verwendet werden. Insbesondere lassen sich aktive und/oder
passive Komponenten verwenden, welche beispielsweise einen oder
mehrere Schalter zum Umschalten zwischen den Teilelektroden umfassen können.
Besonders einfach ist die Schaltung dann, wenn erfindungsgemäß eine
Diodenschaltung verwendet wird bzw. wenn die elektrische Schaltung eine
derartige Diodenschaltung als Bestandteil umfasst. Diese Diodenschaltung
kann insbesondere eine oder mehrere Hochtemperaturdioden umfassen, insbesondere
SiC-Dioden, welche besonders gut auf die hohen Betriebstemperaturen
der üblichen Sensorelemente angepasst sind. Auch andere
Diodenmaterialien können jedoch eingesetzt werden, beispielsweise
GaN. Letzteres kann insbesondere in einem Bereich mit geringeren
Temperaturbelastungen eingesetzt werden.
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Insbesondere
können die mindestens zwei Teilelektroden einer der Elektroden
jeweils mit einer Teilleitung verbunden sein, wobei in den Teilleitungen Dioden
mit umgekehrter Polung aufgenommen sind. Hinter den Dioden, also
am den Teilelektroden entgegengesetzten Ende der Teilleitungen,
können diese Teilleitungen dann zu einer oder mehreren
gemeinsamen Anschlussleitungen zusammengefasst sein. Verschiedene
Ausführungsbeispiele derartiger Diodenschaltungen werden
nachfolgend näher beschrieben.
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Weiterhin
können auch verschiedene der Teilelektroden zusammengefasst
sein, insbesondere Teilelektroden verschiedener Elektroden. So können beispielsweise
mindestens eine erste Teilelektrode der ersten Elektrode und mindestens
eine zweite Teilelektrode der zweiten Elektrode elektrisch verbunden sein.
Auf diese Weise lassen sich weitere Umladungen vermeiden, die Geschwindigkeit
der Sensoranordnung verbessern und der Aufbau der Sensorelemente
weiter vereinfachen, insbesondere indem zusätzliche Zuleitungen
eingespart werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
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1 ein
Ausführungsbeispiel eines im Rahmen der vorliegenden Erfindung
einsetzbaren Sensorelements;
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2 ein
zweites Ausführungsbeispiel eines im Rahmen der vorliegenden
Erfindung einsetzbaren Sensorelements;
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3 Pumpstrom-Kennlinien
als Funktion eines Sauerstoffpartialdrucks bei verschiedenen Polaritäten
der Pumpspannung;
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4 ein
zu den 1 und 2 alternatives Ausführungsbeispiel
eines Sensorelements;
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5 ein
Ausführungsbeispiel einer elektrischen Schaltung zur Umsetzung
eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
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6 ein
Ausführungsbeispiel eines Pumpspannungsverlaufs;
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7 ein
zu 5 alternatives Ausführungsbeispiel einer
elektrischen Schaltung;
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8 ein
weiteres Ausführungsbeispiel eines im Rahmen der vorliegenden
Erfindung einsetzbaren Sensorelements;
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9 eine
elektrische Schaltung zum Betrieb des in 8 dargestellten
Sensorelements;
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10 ein
zu 8 alternatives Ausführungsbeispiel eines
Sensorelements; und
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11 und 12 weitere
alternative Ausführungsbeispiele von Sensorelementen mit
teilweise zusammengefasstem Festelektrolyten und Diffusionsbarriere.
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Ausführungsformen
der Erfindung
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In 1 ist
ein Ausführungsbeispiel einer Sensoranordnung 110 dargestellt,
welches für ein transientes Messverfahren genutzt werden
könnte, welches jedoch prinzipiell dem Stand der Technik entspricht.
Die Sensoranordnung 110 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel
eine Ansteuereinrichtung 112, welche beispielsweise eine
oder mehrere elektrische Schaltungen umfassen kann und welche beispielsweise
Pumpspannungen und/oder Pumpströme bereitstellen kann,
Messfunktionen übernehmen kann oder ähnliche Aufgaben übernehmen
kann. Die Ansteuereinrichtung 112 kann beispielsweise mindestens
eine der folgenden Vorrichtungen enthalten: eine Stromquelle, eine
Spannungsquelle, eine Strommessvorrichtung, insbesondere zum Messen eines
Pumpstroms, eine Spannungsmessvorrichtung, insbesondere zum Messen
einer Pumpspannung und/oder zum Messen einer Referenzspan nung, eine
oder mehrere Regelvorrichtungen sowie weitere Funktionen, beispielsweise
logische Funktionen, Speicherfunktionen oder ähnliches.
Insbesondere kann die Ansteuereinrichtung 112 auch eine oder
mehrere Datenverarbeitungseinrichtungen umfassen, beispielsweise
einen oder mehrere Mikrocomputer. Die Ansteuereinrichtung 112 kann
zentralisiert, das heißt einstückig und/oder in
einem einzelnen Gehäuse aufgenommen, ausgestaltet sein
oder auch dezentralisiert, das heißt beispielsweise in mehreren
separaten Komponenten verteilt ausgestaltet werden. Der mindestens
eine Mikrocomputer kann beispielsweise programmtechnisch eingerichtet sein,
um das vorgeschlagene Verfahren in einer oder mehreren der beschriebenen
Ausführungsformen zu steuern bzw. ganz oder teilweise umzusetzen.
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Die
Sensoranordnung 110 umfasst weiterhin ein Sensorelement 114.
Dieses Sensorelement 114 kann mit der Ansteuereinrichtung 112 über
Ansteuerleitungen 116 verbunden sein. In dem in 1 dargestellten
Ausführungsbeispiel ist ein im Wesentlichen aus dem Stand
der Technik bekanntes Sensorelement dargestellt. Dieses Sensorelement 114 kann
jedoch durch andere Arten von Sensorelementen ausgetauscht werden,
beispielsweise die in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen
beschriebenen, erfindungsgemäßen Sensorelemente.
Das in 1 dargestellte Sensorelement 114 ist
beispielsweise ein kommerziell erhältliches Breitband-Sensorelement, dessen
Funktionsweise beispielsweise in Robert Bosch GmbH: „Sensoren
im Kraftfahrzeug", 2001, Seiten 116 bis 117, beschrieben
ist. Das Sensorelement 114 umfasst eine Pumpzelle 118 mit
einer ersten Elektrode 120, einem Festelektrolyten 122 und
einer in diesem Ausführungsbeispiel zweiteilig ausgebildeten,
in einem Elektrodenhohlraum 124 angeordneten zweiten Elektrode 126.
Während die erste Elektrode 120 in diesem Fall über
eine erste Verbindung 128, welche in diesem Ausführungsbeispiel eine
einfache, gasdurchlässige Schutzschicht 130 umfasst,
mit einem das zu messende Gasgemisch enthaltenden Messgasraum 132 in
Verbindung steht, ist die zweite Elektrode 126 im Inneren
des Sensorelements 114 angeordnet. Zur Beaufschlagung der zweiten
Elektrode 126 mit Gas aus dem Messgasraum 132 ist
eine zweite Verbindung 134 vorgesehen, welche in diesem
Ausführungsbeispiel ein Gaszutrittsloch 136, den
Elektrodenhohlraum 124 und eine zwischen dem Elektrodenhohlraum 124 und dem
Gaszutrittsloch 136 angeordnet, der zweiten Verbindung 134 zugeordnete
zweite Diffusionsbarriere 138 umfasst. Das Gaszutrittsloch 136 ist
senkrecht zu dem in 1 dargestellten Schichtaufbau
angeordnet und durchdringt den Festelektrolyten 122.
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Weiterhin
umfasst das als Breitbandsonde ausgestaltete Sensorelement 114 gemäß dem
Ausführungsbeispiel in 1 einen
Referenzluftkanal 140 mit einer Referenzelektrode 142,
sowie ein Heizelement 144. Bezüglich der Funktionen
dieser Referenzelektrode 142 und des Heizelements 144 wird
im Folgenden auf die Beschreibung der aus dem Stand der Technik
bekannten Sensorelemente 114, insbesondere auf den oben
angegebenen Stand der Technik, verwiesen. In Anlehnung an die in
der Lite ratur verwendete Nomenklatur wird die erste Elektrode 120,
welche in diesem Ausführungsbeispiel als äußere
Elektrode ausgestaltet ist, auch als APE (äußere Potentialelektrode
oder äußere Pumpelektrode) bezeichnet, die zweite
Elektrode 126 als IPE (innere Potentialelektrode oder innere
Pumpelektrode) und die Referenzelektrode 142 als RE.
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In 2 ist
eine mögliche alternative Ausgestaltung des Sensorelements 114 dargestellt,
wobei in dieser Darstellung auf eine möglicherweise zusätzlich
vorhandene Ansteuereinrichtung 112 verzichtet wurde. Während
bei dem Sensorelement 114 gemäß dem Ausführungsbeispiel
in 1 die erste Elektrode 120 lediglich durch
eine Schutzschicht 130 vom Messgasraum 132 getrennt
ist, weist bei dem Ausführungsbeispiel in 2 auch
die erste Verbindung 128, über welche die erste
Elektrode 120 mit Gas aus dem Messgasraum 132 beaufschlagt
werden kann, eine erste Diffusionsbarriere 146 auf. Weiterhin
ist ein erster Elektrodenhohlraum 148 vorgesehen, welcher
gemeinsam mit der ersten Diffusionsbarriere 146 die erste
Verbindung bildet. Analog weist die zweite Elektrode 126 einen
zweiten Elektrodenhohlraum 150 auf, welcher dem Elektrodenhohlraum 124 gemäß 1 entspricht
und welcher, gemeinsam mit der zweiten Diffusionsbarriere 138,
die zweite Verbindung 134 zwischen der zweiten Elektrode 126 und dem
Messgasraum 132 bildet. Weiterhin ist wiederum auch ein
Heizelement 144 vorgesehen.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel des Sensorelements 114 in 2 sind
die Elektrodenhohlräume 148, 150 vom
Messgasraum 132 durch eine Deckschicht 152, welche
auch ganz oder teilweise von dem Festelektrolyten 122 gebildet
werden kann, getrennt. Die Verbindungen 128, 134 sind
dabei bei der Darstellung in 2 eben ausgebildet.
Alternativ oder zusätzlich können diese Verbindungen
auch gewinkelt ausgestaltet sein, beispielsweise wiederum unter
Einbeziehung eines oder mehrerer Gaszutrittslöcher 136, ähnlich
zu der Darstellung in 1.
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Weiterhin
sei darauf hingewiesen, dass die Elektroden
120,
126 bei
dem in
2 dargestellten Ausführungsbeispiel einteilig
ausgebildet dargestellt sind. Bei dem in
1 dargestellten
Ausführungsbeispiel, welches dem Stand der Technik entspricht,
ist die zweite Elektrode
126 zweiteilig ausgebildet, wobei
jedoch beide Teilelektroden dieser zweiten Elektrode
126 elektrisch
miteinander verbunden sind. Erfindungsgemäß werden
diese Aufbauten gemäß den
1 und
2 dadurch
modifiziert, dass mindestens eine der beiden Elektroden
120,
126 zweiteilig ausgebildet
ist und zwei Teilelektroden aufweist, die unabhängig voneinander
kontaktiert werden können. Auf Einzelheiten dieser mehrteiligen
Ausgestaltung gemäß der Erfindung wird unten näher
eingegangen. Auch das in
DE 10 2005 054 144 A1 dargestellte Sensorelement
kann erfindungsgemäß modifiziert werden, indem
eine oder mehrere der dort dargestellten Elektroden mit mehreren
Teilelektroden ausgestaltet werden.
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Wie
eingangs beschrieben, beruht das vorgeschlagene Verfahren auf einem
transienten Messverfahren. Ein erstes Ausführungsbeispiel
eines derartigen transienten Messverfahrens soll anhand der 3 näher
erläutert werden. Diese erste Ausführungsform
eines transienten Messverfahrens beruht auf Asymmetrieeffekten zwischen
den beiden Elektroden 120, 126 bzw. der aus diesen
Elektroden und dem Festelektrolyten gebildeten Pumpzelle 118.
Bisherige Designs sind in der Regel derart optimiert, dass im mageren
Bereich die Kennlinie des Pumpstroms eindeutig ist, so dass in der
Regel kein Pumpstrom im fetten Bereich messbar ist. Bei dem in den 1 und 2 dargestellten
Beispielen sind die Pumpzellen 118 jedoch derart ausgestaltet,
dass beide Elektroden 120, 126 eine Anbindung
an den Messgasraum 132 erfahren. Ergebnis dieses Designs
ist eine V-förmige Kennlinie. Je nach dem, wie die Diffusionswiderstände
bzw. Strömungswiderstände der Verbindungen 128 und 134 zueinander
ausgestaltet sind, werden nun Grenzströme für
die Fettgasreaktion an der Anode (H2O-Zersetzung
an der Kathode) gemessen. Welche der Elektroden 120, 126 dabei
als Anode und welche als Kathode fungiert, hängt dabei
von der Beschaltung ab. Grenzströme im Fettbetrieb und
im Magerbetrieb sind positiv, wodurch die Kennlinie in erster Näherung
nicht eindeutig ist.
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Ein
Ausführungsbeispiel verschiedener Pumpstromkennlinien ist
in 3 dargestellt. Derartige Pumpstromkennlinien können
beispielsweise mit dem in 2 dargestellten
Sensorelement 114 gemessen werden. Dabei wird angenommen,
dass die erste Elektrode 120 in 2 als Anode
beschaltet wird und die zweite Elektrode 126 als Kathode.
Dabei sind die Pumpströme Ip (aufgetragen
in mA) durch die Pumpzelle 118 auf der Y-Achse aufgetragen.
Auf der X-Achse ist die Gasgemischzusammensetzung aufgetragen, welche
im positiven Bereich (Werte > Null) den
Partialdruck p (angegeben in %) des Sauerstoffs O2 im
Gasgemisch bezeichnet und im negativen Bereich (Werte < Null) den Partialdruck
der Fettgaskomponente, welcher einem Sauerstoff-Unterschuss gegenüber
dem Gleichgewicht λ = 1 (das heißt dem Nullpunkt
der X-Achse) entspricht.
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Der
magere Luftzahlbereich in 3 symbolisch
mit der Bezugsziffer 154 bezeichnet, wohingegen der fette
Bereich symbolisch mit der Bezugsziffer 156 bezeichnet
ist. Dabei sind in 3 zwei Kennlinien 158, 160 aufgetragen,
welche bei unterschiedlichen Polaritäten der Pumpspannung
gewonnen wurden. So wurde die erste Kennlinie 158 bei einer
Beschaltung gewonnen, bei welcher die erste Elektrode 120 als
ausbauende Elektrode und die zweite Elektrode 126 als einbauende
Elektrode wirkt. Die Pumpspannung an der Pumpzelle 118 wurde
für diese erste Kennlinie 158 zu –500
mV gewählt. Das Vorzeichen hierbei ergibt sich aus der
genannten Beschaltung. Bei dieser Beschattung wird im mageren Bereich 154 der
Pumpstrom der ersten Kennlinie 158 durch die zweite Diffusionsbarriere 138 in
der zweiten Verbindung 134 hin zur zweiten Elektrode 126 bestimmt
(in 3 mit DB1 bezeichnet), wohingegen im fetten Bereich 156 die
erste Diffusionsbarriere 146 der entscheidende Faktor für
den Pumpstrom ist (in 3 mit DB2 bezeichnet). Weiterhin
ist in 3 eine zweite Kennlinie 160 aufgetragen,
welche sich daraus ergibt, dass die Pumpspannung Up an
der Pumpzelle 118 umgepolt wurde. Die Pumpspannung beträgt
in diesem Fall beispielsweise +500 V, wobei sich das Vorzeichen
wiederum aus der Beschaltung ergibt. Dabei wird bei dieser Umpolung
die erste Elektrode 120 als einbauende Elektrode geschaltet und
die zweite Elektrode 126 als ausbauende Elektrode. In diesem
Fall haben sich die Einflüsse der beiden Diffusionsbarrieren 146, 138 umgekehrt,
da sich die Rollen von einbauender und ausbauender Elektrode bzw.
Diffusionsbarriere vertauscht haben. Es ist festzustellen, dass
zumindest in einem Bereich um λ = 1 (p = Null) die erste
Kennlinie 158 und die zweite Kennlinie 160 sich
jeweils zumindest näherungsweise durch eine Punktspiegelung
am Nullpunkt auseinander ergeben.
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Durch
Vergleich der beiden Kennlinien 158, 160 in 3 ist
eine eindeutige Zuordnung zu fettem oder magerem Abgas möglich,
solange die Kennlinien 158, 160 einen asymmetrischen
Verlauf zu einer senkrechten Achse um p = Null aufweisen. Zur Durchführung
dieses Vergleichsverfahrens kann beispielsweise eine Rechteckspannung
angelegt werden, mittels derer die Pumpspannung Up periodisch umgepolt
wird.
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Anstelle
eines einfachen Vergleiches der beiden Kennlinien 158, 160 bzw.
zweier Messwerte mit einer Pumpspannung und einer umgepolten Pumpspannung
lässt sich somit zum einen erkennen, ob im fetten oder
im mageren Bereich gearbeitet wird und zum anderen auch auf das
Partialdruckverhältnis p schließen. Anstelle eines
einfachen Vergleiches lassen sich die beiden Kurven 158, 160 bzw.
die beiden gewonnenen Messwerte jedoch auch kombinieren, beispielsweise
indem die beiden Kurven 158 und 160 addiert werden.
Auf diese Weise ergibt sich in 3 eine stetig
ansteigende Kurve, welche zwischen den beiden Kurven 158 und 160 verläuft
und einen eindeutigen Zusammenhang mit dem Partialdruck p aufweist.
Durch eine geeignete Verrechnung der Einzelmesswerte der Kurven 158 und 160 lässt
sich so also ein Gesamtmesswert ermitteln, der eindeutig einem Lambdawert
zuordnenbar ist. Dieses in 3 dargestellte
Verfahren stellt nur ein mögliches Ausführungsbeispiel
transienter Messverfahren dar, welche auf einem Umpolen der Pumpspannung
Up an den Elektroden 120, 126 beruhen.
Wie oben beschrieben, sind derartige transiente Messverfahren in
der Regel durch die für das Umladung der beteiligten Kapazitäten
benötigte Zeit beschränkt.
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In 4 ist
daher ein Ausführungsbeispiel eines Sensorelements 114 dargestellt,
welches eine Modifikation des in 2 dargestellten
Sensorelements 114 ist. Auf analoge Weise könnte
auch das Sensorelement 114 gemäß 1 oder
andere bekannte Sensorelemente mit einer Pumpzelle 118 modifiziert
werden. Das in 4 dargestellte Sensorelement
ist prinzipiell analog zu 2 aufgebaut,
so dass weitgehend auf die obige Beschreibung dieser Figur verwiesen
werden kann. Im Gegensatz zu 2 wird jedoch
in diesem Fall ein Ausführungsbeispiel realisiert, bei
welchem beide E lektroden 120 und 126 (möglich
wäre auch eine Realisierung mit lediglich einer dieser
Elektroden 120, 126) mit jeweils zwei Teilelektroden
ausgestattet sind. So umfasst die erste Elektrode 120 eine
erste Teilelektrode 162 und eine zweite Teilelektrode 164,
und die zweite Elektrode 126 umfasst ebenfalls eine erste
Teilelektrode 166 und eine zweite Teilelektrode 168.
Die ersten Teilelektroden 162, 166 sind dabei
in 4 mit den Buchstaben A und B bezeichnet und die
zweiten Teilelektroden 164, 168 mit den Buchstaben
C bzw. D. Es sei darauf hingewiesen, dass auch eine Aufteilung in mehr
als zwei Teilelektroden möglich ist. Dabei sind die ersten
Teilelektroden 162, 166 jeweils mit ersten Teilleitungen 170 bzw. 172 verbunden,
und die zweiten Teilelektroden 164, 168 jeweils
mit zweiten Teilleitungen 174, 176. Mindestens
eine dieser Teilleitungen 170, 172, 174 und 176 kann
auch mit einem Kontakt für das Heizelement 144 zusammengefasst
werden, um weitere Anschlüsse zu sparen.
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In 5 ist
ein mögliches Ausführungsbeispiel einer elektrischen
Schaltung 178 dargestellt, mittels derer beispielsweise
das oben beschriebene Verfahren unter Verwendung des in 4 dargestellten
Sensorelements 114 mit mehreren Teilelektroden umgesetzt
werden kann. Dabei sind die Elektroden 120, 126 und
die Teilelektroden 162, 164, 166, 168 symbolisch
dargestellt. Weiterhin ist symbolisch die Anordnung des Festelektrolyten 122 gezeigt.
Die elektrische Schaltung 178 kann ganz oder teilweise beispielsweise
in einer separaten Ansteuereinrichtung 112 (siehe 1)
aufgenommen sein oder kann ganz oder teilweise auch in dem Sensorelement 114 selbst
integriert sein, beispielsweise in Form von Zuleitungen und/oder
passiven elektronischen Komponenten, welche in dieses Sensorelement 114 integriert
sind.
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Dabei
ist zu erkennen, dass die elektrische Schaltung 178 in
diesem Ausführungsbeispiel vier Dioden 180, 182, 184 und 186 aufweist,
welche in den Teilleitungen 170, 174, 172 und 176 aufgenommen
sind. Dabei sind jeweils die Dioden 180, 184 der ersten
Teilleitungen 170, 172 umgekehrt gepolt zu den
Dioden 182, 186 der zweiten Teilleitungen 174, 176.
Weiterhin sind die Dioden 180, 184 der ersten Teilleitungen
zueinander umgekehrt gepolt, und die Dioden 182, 186 der
zweiten Teilleitungen 174, 176 sind ebenfalls
umgekehrt zueinander gepolt. Auf der von den Dioden 180, 182, 184, 186 abgewandten Seite
sind jeweils die Teilleitungen 170, 174 bzw. 172, 176 der
Teilelektroden 162, 164 bzw. 166, 168 der ersten
Elektrode 120 bzw. der zweiten Elektrode 126 zu
gemeinsamen Anschlussleitungen 188 bzw. 190 zusammengefasst.
Die Anschlüsse dieser gemeinsamen Anschlussleitungen 188, 190 sind
in 5 symbolisch mit den Buchstaben E bzw. F bezeichnet.
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Wird 5 im
Rahmen eines transienten Messverfahrens mit wechselnden Polaritäten
der Pumpspannung Up verwendet, so stellt
die elektrische Schaltung 178 sicher, dass die Teilelektroden 162, 164 bzw. 166, 168 im
Wesentlichen nicht umgeladen werden. Je nach Polarität
der Pumpspannung Up wird also nur eine dieser
Teilelektroden verwendet. Wird beispielsweise eine Wechselspannung,
beispielsweise eine rechteckigförmige Wechselspannung,
so wird abwechselnd von der Teilelektrode A zur Teilelektrode B
und von der Teilelektrode D zur Teilelektrode C gepumpt. Dies kann
am Beispiel des Pumpspannungsverlaufs gemäß 6 verdeutlicht werden,
in welchem die Pumpspannung Up (dargestellt in Volt) gegen die Zeit
t (dargestellt in Sekunden) aufgetragen ist. Befindet sich die Pumpspannung
Up beispielsweise im positiven Bereich,
das heißt wird der Anschluss E in 5 mit dem
Pluspol der Spannungsquelle verbunden, so sperren die Dioden 182 und 186,
und lediglich die ersten Teilelektroden 162, 166 sind
aktiv. Dieser Bereich ist in 6 mit der
Bezugsziffer 192 bezeichnet. Bei umgekehrter Polarität
der Pumpspannung hingegen (Bereiche 194 in 6)
sind hingegen die zweiten Teilelektroden 164, 168 aktiv,
wohingegen die Dioden 180, 184 sperren.
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Dieses
einfache Beispiel eines transienten Messverfahrens zeigt, dass lediglich
zwei Anschlüsse E und F nötig sind, an welche
eine geeignete Pumpspannung, beispielsweise eine Wechselspannung,
angelegt werden kann. Die Auswahl der Pumpelektroden geschieht automatisch
durch die vier Dioden 180, 182, 184, 186.
Diese bewirken, dass jeweils die „richtigen" Teilelektroden
ausgewählt werden, wohingegen die übrigen Teilelektroden
in dieser Phase inaktiv sind und gleichzeitig deren Entladen verhindert
wird. Die Teilelektrodenpaare A-B und C-D behalten also stets ihre
Polarität, obwohl sich die Polarität an den Anschlüssen
E und F ständig ändert. Diese Vermeidung des Umladens
der Teilelektroden 162, 164, 166, 168 bewirkt,
dass die oben beschriebene Limitierung der Frequenz durch die Umladezeit T
= RC der Elektrodenkapazitäten umgangen wird.
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Die
Dioden 180, 182, 184, 186 können
beispielsweise mittels eines Siebdruckverfahrens und/oder eines
Bondingverfahrens auf das Sensorelement 114 aufgebracht
werden, wodurch das Sensorelement 114 beispielsweise lediglich über
zwei Kontakte (die Kontakte E und F in 5), sowie
gegebenenfalls weitere Kontakte für das Heizelement 144 verfügt.
Alternativ können die Dioden jedoch auch in einem Sensorgehäuse
oder in einem Steckergehäuse integriert werden. Dadurch
verfügt das Sensorelement 114 über vier
Kontakte, welche jedoch an einer Kabelzuleitung weiter reduziert
werden können.
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Die
beispielsweise mittels Siebdruck und/oder Bonden erzeugten Dioden
können beispielsweise dotiertes SiC und/oder GaN umfassen. Derartige
Dioden können Temperaturen bis zu ca. 1400°C standhalten,
so dass diese Dioden beispielsweise ganz oder teilweise gemeinsam
mit den übrigen Schichten des Sensorelements 114 gesintert werden
können. Dioden auf SiC-Basis können bei Temperaturen
von bis zu ca. 650°C betrieben werden. Durch geeignete
Gestaltung des Sensorelements 114 und eine geeignete Anordnung
des Sensorelements 114 im Abgasstrang kann erreicht werden,
dass im hinteren Teil des Sensorelements 114, also beispielsweise
in einiger Entfernung zur Pumpzelle 118, keine Temperaturen
oberhalb dieser 650°C auftreten. Dort sollten vorzugsweise
die Dioden 180, 182, 184, 186,
welche insbesondere im Siebdruck erzeugt werden, angeordnet sein.
Insgesamt können, alternativ oder zusätzlich zum
Siebdruck, jedoch auch andere Arten der Aufbringung und/oder Erzeugung
der Dioden 180, 182, 184, 186 genutzt
werden, beispielsweise Bonding-Verfahren oder ähnliches, insbesondere
zur Aufbringung in kälteren Bereichen des Sensorelements 114 und/oder
der elektrischen Schaltung 178.
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Bei
der alternativ oder zusätzlich realisierbaren Anordnung
der Dioden in einem Zuleitungskabel oder in einem Anschlussstecker
sind wesentlich geringere Anforderungen an die Temperaturbeständigkeit
zu stellen. Hierfür könnten beispielsweise Temperaturbeständigkeiten
bis 200°C ausreichend sein, wie sie auch von einfachen,
billigen Dioden üblicherweise erfüllt werden.
Verfügt das Sensorelement 114 zum Beispiel über
einen (z. B. vierpoligen) Stecker zum Anschluss beispielsweise an
die Ansteuereinrichtung 112 (beispielsweise über
die Ansteuerleitungen 116 in 1), so können
beispielsweise in diesem Stecker direkt als Beginn der Sensorzuleitung die
Dioden 180, 182, 184, 186 ganz
oder teilweise aufgenommen sein.
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Die
elektrische Ansteuerung kann, wie in 6 dargestellt,
insbesondere durch abwechselnde positive und negative Pumpspannungen
erfolgen. Dabei können Höhe und Dauer der Pumpspannungsimpulse
variieren. In einer besonders einfachen Ausführungsform
sind diese Höhen und Dauern der Pumpspannungsimpulse bis
auf das Vorzeichen identisch. Zu einer Optimierung beispielsweise
der Dynamik der Sensoranordnung 110 in sehr fetten oder
sehr mageren Abgasen können aber auch unterschiedlich lange
und/oder unterschiedlich hohe Pulse verwendet werden.
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In
einer (nicht dargestellten) Variante der Beschaltung gemäß 5 können
die zweiten Teilelektroden 164, 168, auch vertauscht
angeordnet sein. In diesem Fall kann zwischen den Elektroden B und
C und den Elektroden A und D bepumpt werden.
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In 7 ist
eine alternative Ausgestaltung der elektrischen Schaltung 178 der
Sensoranordnung 110 dargestellt. In dieser Variante wird
bei Verwendung der Dioden 180, 182, 184, 186,
welche in diesem Fall vorzugsweise außerhalb des Sensorelements 114 angeordnet
sind (beispielsweise in den Ansteuerleitungen 116 und/oder
in einem Stecker und/oder in der Ansteuereinrichtung 112),
ein weiterer Anschlusskontakt dadurch eingespart, dass zwei der
vier Teilleitungen 170, 172, 174, 176 stückweise zusammengefasst
sind. In der in 7 gezeigten elektrischen Schaltung 178 können
hierzu beispielsweise die Teilleitungen 170, 176 auf
einem Teilstück 196 zusammengefasst sein. Alternativ
wäre auch eine Zusammenfassung beispielsweise der Elektroden
B und C, also der Teilleitungen 172 und 174, auf einem
entsprechenden Teilstück 196 möglich.
Dabei ist in 7 symbolisch das Sen sorelement 114 eingezeichnet,
um zu zeigen, dass dieses Teilstück 196 vorzugsweise
einen Sensoranschlusskontakt umfasst, so dass lediglich die in 7 dargestellten Sensoranschlusskontakte
G, H und I kontaktiert werden müssen. Durch dieses Zusammenfassen
von Teilleitungen verbleibt in jedem Teilelektrodenpaar eine Teilelektrode
vorzugsweise konstant auf gleicher Spannung. Die Anzahl der Sensoranschlusskontakte
entspricht damit der einer Standard-Breitband-Lambdasonde, also
drei Elektrodenanschlüsse, welche um ein bis zwei zusätzliche
Heizelementanschlüsse ergänzt werden können.
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Wie
oben beschrieben, stellt 4 lediglich eine Möglichkeit
dar, Elektroden 120, 126 mit mehreren Teilelektroden 162, 164, 166, 168 auszustatten. Daneben
sind zahlreiche weitere Geometrien möglich, welche beispielsweise
mit entsprechenden elektrischen Schaltungen 178 (beispielsweise
gemäß den 5 oder 7)
versehen werden können. So können beispielsweise
in einer weiteren Variante zu dem in 4 dargestellten
Sensorelement 114 die Teilelektroden einer Pumpzelle neben-
oder hintereinander angeordnet sein und entsprechend beschaltet
werden.
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Das
oben beispielsweise anhand der 3 und 6 beschriebene
Messverfahren wurde als rein amperometrisches, transientes Messverfahren dargestellt.
Transiente Messverfahren sind jedoch auch bei anderen Verfahrensvarianten
einsetzbar, welche zumindest nicht rein amperometrisch funktionieren,
sondern beispielsweise auch Potentialmessungen beinhalten. Typische
Beispiele von Sensorelementen, welche auf einer Mischung aus amperometrischen
und voltammetrischen Messverfahren beruhen, sind die bekannten Messverfahren
von Breitbandsensorelementen, wie sie beispielsweise in Robert
Bosch GmbH: „Sensoren im Kraftfahrzeug", 2001, Seiten 116
bis 117 beschrieben sind. Auch für derartige Sensorelemente
ist das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße
Idee der Verwendung mehrerer Teilelektroden einsetzbar, wie anhand
der folgenden Ausführungsbeispiele in den 8 bis 12 beschrieben
werden soll. Auch das Sensorelement 114 gemäß 1 kann
erfindungsgemäß modifiziert werden, beispielsweise
indem die Elektroden 120, 126 mit mehreren Teilelektroden ausgestattet
werden. Selbstverständlich können die Sensorelemente 114 gemäß den 8, 10, 11 und 12 jedoch
auch wiederum mit rein amperometrischen Messverfahren betrieben
werden, beispielsweise dem oben beschriebenen Messverfahren.
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Die
Ausführungsbeispiele gemäß den 8 bis 12 stellen
weiterhin Beispiele von Sensoranordnungen bzw. Sensorelementen dar,
bei welchen mehrere Teilpumpzellen mit unterschiedlichen Teil-Festelektrolyten
vorgesehen sind. Beispielsweise können die Sensorelemente 114 derart
ausgestaltet sein, dass die Teilelektroden zweier gekoppelter Teilpumpzellen
mittels einer geeigneten elektrischen Schaltung 178 derart
verschaltet sind, dass diese Teilelektroden bei einem Gaswechsel über λ =
1 hinweg ihre Polarität nicht ändern. Die Doppelschichtkapazitäten
der Teilelektroden, insbesondere der innenliegenden Teilelektroden,
müssen dann bei einem solchen Gaswechsel nicht umgeladen
werden. Dadurch nimmt ebenfalls das Sensorsignal viel schneller
seinen neuen Zielwert an, das heißt das Sensorelement 114 lässt
sich insgesamt erheblich schneller beschalten.
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Zusätzlich
können die Elektroden 120, 126 und die
Diffusionsbarrieren 146, 138 derart angeordnet
werden, dass alle Elektroden gleichmäßig belastet
werden. Dadurch kann die Sauerstoffkonzentration in einem Hohlraum
an jedem Ort konstant gehalten werden, so dass bei beliebigen Gaswechseln
die Doppelschichtkapazitäten der inneren Pumpelektroden
nicht umgeladen werden, was das Sensorelement 114 für
beliebige Gaswechsel erheblich schneller macht. Wiederum kann die
elektrische Schaltung 178 dabei derart ausgestaltet sein,
dass, beispielsweise unter Verwendung geeigneter Dioden, wiederum
nur zwei Anschlusskontakte I und F nötig sind, so dass
sich, trotz erhöhter Elektrodenzahl, die Zahl der Anschlusskontakte
gegenüber einer gewöhnlichen Breitbandsonde vorzugsweise
nicht vergrößert. Die Teilelektroden können
beispielsweise wiederum mit einer Wechselspannung konstanter Amplitude
betrieben werden, wobei unterschiedliche Pumpströme beispielsweise
mittels einer Pulsweitenmodulation realisiert werden können.
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In
den 8 und 10 sind Ausführungsbeispiele
eines Sensorelements 114 dargestellt, welche grundsätzlich
dem Ausführungsbeispiel in 1 ähneln.
Dabei umfasst die erste Elektrode 120 wiederum zwei Teilelektroden 162, 164,
welche in diesem Ausführungsbeispiel aufeinander gegenüberliegenden
Seiten des Sensorelements 114 angeordnet sind. Die zweite
Teilelektrode 126 umfasst ebenfalls wiederum zwei Teilelektroden 166, 168,
welche in einem Elektrodenhohlraum 124 im Inneren des Sensorelements 114 angeordnet
sind. Zwischen den ersten Teilelektroden 162, 166 bzw.
den zweiten Teilelektroden 164, 168 sind jeweils
ein Teil-Festelektrolyt 198 bzw. 200 angeordnet.
Diese Teil-Festelektrolyten 198, 200 sind in diesem
Ausführungsbeispiel als unterschiedliche Schichten des
Festelektrolyten 122 ausgebildet, welche durch den Hohlraum 124 getrennt
sind. Somit umfasst die Pumpzelle 118 in diesem Ausführungsbeispiel
zwei voneinander räumlich getrennte Teilpumpzellen 202, 204,
welche unabhängig voneinander betreibbar sind.
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Weiterhin
umfasst das Sensorelement 114 wiederum einen Referenzluftkanal 140 und
eine darin angeordnete Referenzelektrode 142, für
deren Beschreibung beispielsweise wiederum auf die 1 verwiesen
werden kann.
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Die
Sensorelemente 114 gemäß den Ausführungsbeispielen
in den 8 und 10 unterscheiden sich im Wesentlichen
dadurch, dass, wie die dargestellten Längsschnitte zeigen,
bei dem Ausführungsbeispiel in 8 der Elektrodenhohlraum 124 stirnseitig über
die zweite Verbindung 134 mit dem Messgasraum 132 verbunden
ist. Das Gas gelangt somit von der Stirnseite des Sensorelements 114 durch
die Diffusionsbarriere 138 in den Elektrodenhohlraum 124,
welcher hier als Messkammer fungiert. Bei dem Ausführungsbeispiel
in 10 hingegen gelangt das Gas aus dem Messgasraum 132 durch
ein Gaszutrittsloch 136 in Form einer Bohrung von oben
in das Sensorelement 114 und von dort aus durch die Diffusionsbarriere 138 in
den Elektrodenhohlraum 124. Ansonsten ähneln sich
die Sensorelemente 114 gemäß den 8 und 10 in
ihrem Aufbau und ihrer Funktion.
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Die
Sensorelemente gemäß den 8 und 10 können
prinzipiell beschaltet werden, wie oben beschrieben und wie beispielsweise
in den 5 und 7 dargestellt. Ein Beispiel
einer derartigen Beschaltung ist in 9 dargestellt.
Diese Beschaltung entspricht im Wesentlichen der in 5 dargestellten
Beschaltung, so dass im Wesentlichen auf die Beschreibung dieser
Figur verwiesen werden kann. Lediglich die Teilelektroden 162, 164, 166, 168 sind
umgekehrt dargestellt, wobei symbolisch der Elektrodenhohlraum 124 und
der Messgasraum 132 aufgezeigt sind. Weiterhin ist erkennbar,
dass aufgrund der Trennung der Teil-Festelektrolyten 198, 200 zwei
separate Teilpumpzellen 202, 204 ausgebildet sind.
Ansonsten kann im Wesentlichen auf die Beschreibung der 5 verwiesen
werden.
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Die
in den 8 und 10 dargestellten Sensoranordnungen 110 können
beispielsweise wiederum mittels des anhand der 6 beschriebenen amperometrischen
Messverfahrens betrieben werden, das heißt wiederum ohne
Verwendung der Referenzelektrode 142. Beispielsweise kann
hierfür wiederum in einem transienten Messverfahren die Asymmetrie
der Kennlinien 158, 160 genutzt werden, um den
Magerast vom Fettast zu unterscheiden. Alternativ oder zusätzlich
können die Sensoranordnungen gemäß den 8 und 10 jedoch
auch zumindest teilweise in einem kombinierten amperometrischen-voltametrischen
Messverfahren verwendet werden, wie dies bei Breitbandsonden, wie
beispielsweise der in 1 dargestellten Breitbandsonde häufig
geschieht. Auch bei einem derartigen transienten Verfahren, welches
in diesem Fall die Referenzelektrode 142 mit einbezieht,
kann die mehrteilige Ausgestaltung der Elektroden 120, 126 ausgenutzt
werden, um das Verfahren erheblich zu beschleunigen. So kann beispielsweise
die in 6 dargestellte Wechselspannung als Pumpspannung an
die Elektroden 120, 126 angelegt werden, so dass mittels
der Teilpumpzellen 202, 204 abwechselnd Sauerstoff
aus dem Messgasraum 132 in den Elektrodenhohlraum 124 hinein-
bzw. hinausgepumpt wird, ohne dass Doppelschichtkapazitäten
an den Elektroden 120, 126 bzw. an Elektroden/Elektrolytgrenzflächen
umgeladen werden müssen. Zusätzlich diffundiert
Messgas durch die Diffusionsbarriere 138 in den Elektrodenhohlraum 124,
der hier als Messkammer fungiert. Wie oben dargestellt, kann bei
diesem Verfahren insbesondere eine Regelung durch Pulsweitenmodulation
erfolgen, beispielsweise indem das Verhältnis zwischen
den Phasen mit negativer Pumpspannung (in denen eine erste der Teilpumpzellen 202, 204 aktiv
ist) zu den Phasen mit einer positiven Pumpspannung (in denen die
zweite der Teilpumpzellen 202, 204 aktiv ist)
gesteuert werden. Zu diesem Zweck kann ein Regler, welcher beispielsweise
in der Ansteuereinrichtung 112 umfasst sein kann, die positiven
und negativen Phasen der Pumpspannung in 6 auswählen
bzw. ansteuern, so dass in dem Elektrodenhohlraum 124 ein
konstanter Sauerstoffpartialdruck vorliegt. Hierzu wird auf ein vorgegebenes
Nernstpotential zwischen einer oder mehreren der in dem Elektrodenhohlraum 124 angeordneten
Teilelektroden 166, 168 und der Referenzelektrode 142,
die sich in einem Referenzluftkanal 140 (bzw. einem Referenzgasraum)
befindet, geregelt.
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Das
Messsignal kann in diesem Fall beispielsweise die Differenz des
(zum Beispiel mittels der zweiten Teilpumpzelle 204) aus
dem Elektrodenhohlraum 124 herausgepumpten und des (zum
Beispiel mittels der ersten Teilpumpzelle 202) in den Elektrodenhohlraum 124 hineingempumpten
Sauerstoffs (in Form von O2–-Ionen)
sein. Im mageren Abgas ist dieses Messsignal ein Maß für
den Sauerstoffgehalt im Abgas, im fetten Abgas ist das Messsignal ein
Maß für das Sauerstoffdefizit im Abgas.
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In
den 11 und 12 sind
Ausführungsbeispiele von Sensorelementen 114 dargestellt,
welche Alternativen zu den in den 8 und 10 dargestellten
Ausführungsbeispielen darstellen. Insofern kann weitgehend
auf die obige Beschreibung des Aufbaus und der möglichen
Betriebsweisen verwiesen werden. Die Sensorelemente 114 gemäß den 11 und 12 unterscheiden
sich von den oben beschriebenen Ausführungsformen hingegen
durch die Anordnung der Diffusionsbarrieren 138. Diese Diffusionsbarrieren 138,
welche auch „zweite" Diffusionsbarrieren 138 bezeichnet
werden gemäß der obigen Nomenklatur, ermöglichen
eine Beaufschlagung des Elektrodenhohlraums 124 mit Gas
aus dem Messgasraum 132. Dabei sind in den 11 und 12 dargestellten
Ausführungsbeispielen die zweiten Diffusionsbarrieren 138 zwischen
den Teilelektroden 162, 164 der ersten Elektrode 120 und
den Teilelektroden 166, 168 der zweiten Elektrode 126 angeordnet.
Es sind also zwei zweite Diffusionsbarrieren 138 vorgesehen.
Auch eine lediglich einseitige Anordnung dieser Diffusionsbarriere 138 ist
möglich, beispielsweise lediglich zwischen den Teilelektroden 162 und 166.
Die Diffusionsbarrieren 138 können beispielsweise
zumindest teilweise identisch mit dem Festelektrolyten 128 bzw.
den Teil-Festelektrolyten 198, 200 sein. Dadurch
kann insbesondere die Messgaskonzentration, beispielsweise eine
Sauerstoffkonzentration, in dem gesamten Elektrodenhohlraum 124 örtlich
konstant gehalten werden, so dass die Belastung der inneren Teilelektroden 166, 168 vorzugsweise
an jedem Ort identisch ist. Dadurch müssen zu keinem Zeitpunkt
die Doppelschichtkapazitäten der inneren Elektroden 166, 168 umgeladen
werden, wodurch das Sensorelement 114 erheblich schneller
auf Gaswechsel reagieren kann. Im Gegensatz hierzu kann bei der
Anordnung der Diffusionsbarriere 138 wie beispielsweise
in den 8 und 10 die Sauerstoffkonzentration
vom Regler nur an einer Stelle, nämlich im Elektrodenhohlraum 124 in
der Nähe des Referenzluftkanals 140, das heißt „hinten"
im Sensorelement 114, konstant gehalten werden. Der Konzentrationsverlauf
in dem Elektrodenhohlraum 124 ergibt sich aus der Pumpfunktion
(das heißt der Pumpstromdichte der Elektroden als Funktion
der Sauerstoffkonzentration und der Pumpspannung) und der Sauerstoffkonzentration
im Messgas. Diese Problematik kann durch die Anordnung gemäß den 11 und 12 weitgehend
vermieden werden.
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Während
bei dem Sensorelement 114 gemäß 11 die
gesamten Teil-Festelektrolyten 198, 200 gleichzeitig
als Diffusionsbarrieren 138 ausgestaltet sind, zeigt das
Ausführungsbeispiel gemäß 12,
dass dies nicht notwendigerweise der Fall sein muss. So kann, insbesondere
um einen Grenzstrom anzupassen (beispielsweise zur Verringerung des
Grenzstromes) ein Teil der Diffusionsbarriere 138 durch
ein Elektrolytmaterial 206 mit angepasster (beispielsweise
gegenüber dem restlichen Festelektrolyten 122 verringerter
oder vergrößerter) Ionenleitfähigkeit
(insbesondere Sauerstoffionen-Leitfähigkeit) ersetzt werden.
Durch diese angepasste Sauerstoff-Ionenleitfähigkeit werden
die Elektroden 120, 126 trotz möglicherweise
ungleichmäßiger Sauerstoffkonzentration im Elektrodenhohlraum 124 gleichmäßig
belastet und eine minimale Umladung der Doppelschichtkapazitäten
der inneren Pumpelektroden 126 erreicht. Es sind weitere
Varianten zu den Sensorelementen 114 in den 11 und 12 denkbar,
bei denen sich zwischen einem Teilelektrodenpaar 162, 166 bzw. 164, 168 eine
Diffusionsbarriere 138 und zwischen dem jeweils anderen
Teilelektrodenpaar ein Elektrolyt 122 befindet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102004035826
A1 [0003]
- - DE 19938416 A1 [0003, 0004]
- - DE 102005027225 A1 [0003]
- - DE 3809154 C1 [0004]
- - EP 0678740 B1 [0005]
- - DE 102005054144 A1 [0008, 0008, 0010, 0016, 0046]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - Robert Bosch
GmbH: „Sensoren im Kraftfahrzeug", 2001, S. 116–117 [0006]
- - Robert Bosch GmbH: „Sensoren im Kraftfahrzeug", 2001,
Seiten 116 bis 117 [0021]
- - Robert Bosch GmbH: „Sensoren im Kraftfahrzeug", 2001,
Seiten 116 bis 117 [0042]
- - Robert Bosch GmbH: „Sensoren im Kraftfahrzeug", 2001,
Seiten 116 bis 117 [0064]
