DE102008001223A1 - Beheizte Sprungsonde mit vereinfachter elektrischer Kontaktierung - Google Patents

Beheizte Sprungsonde mit vereinfachter elektrischer Kontaktierung Download PDF

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Lothar Diehl
Thomas Seiler
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Robert Bosch GmbH
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Robert Bosch GmbH
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403Cells and electrode assemblies
    • G01N27/406Cells and probes with solid electrolytes
    • G01N27/4067Means for heating or controlling the temperature of the solid electrolyte

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Sensorelement (112) zur Bestimmung mindestens einer physikalischen Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum (130), insbesondere zur Bestimmung einer Sauerstoffkonzentration im Abgas einer Brennkraftmaschine. Das Sensorelement (112) weist mindestens zwei Elektroden (124, 128) und mindestens einen die Elektroden (124, 128) verbindenden Festelektrolyten (126) auf. Das Sensorelement (112) weist weiterhin mindestens ein Heizelement (136) mit mindestens zwei Heizkontakten (144, 146) auf, wobei mindestens ein erster Heizkontakt (144) der Heizkontakte (144, 146) und eine erste Elektrode (124) der Elektroden (124, 128) über eine gemeinsame Anschlussleitung (152) kontaktierbar sind und wobei mindestens ein zweiter Heizkontakt (146) der Heizkontakte (144, 146) und eine zweite Elektrode (128) der Elektroden (124, 128) mit einer gemeinsamen Masseleitung (148) verbunden sind.

Description

  • Stand der Technik
  • 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.
  • 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.
  • 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. Yttrium-stabilisiertes ZrO2) oder ähnliche Keramiken als Festelektrolyt eingesetzt werden. Theoretisch weist die Potentialdifferenz zwischen den Elektroden gerade beim Übergang zwischen fettem Gasgemisch und magerem Gasge misch 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 Robert Bosch GmbH: Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Ausgabe 2001, S. 112-115 beschrieben.
  • 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.
  • 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 zumeist so nachgeführt, dass im Hohlraum stets die Bedingung λ = 1 herrscht. Auch andere Regelungen sind denkbar. Weitere Beispiele derartiger Sensorelemente sind in Robert Bosch GmbH: „Sensoren im Kraftfahrzeug", 2001, S. 116-117 beschrieben.
  • Insbesondere bei Sprungsonden aber auch bei anderen Arten von Sensorelementen, bei welchen das Potential einer abgasseitigen Elektrode relativ zu einer sauerstoffbespülten Referenzelektrode gemessen wird, werden in der Regel allein für diese Messung zwei Anschlussleitungen für das Sensorelement benötigt. Zusätzlich werden in der Regel zwei weitere Anschlussleitungen für die Beheizung verwendet, so dass in Summe häufig vier Kabel benötigt werden. Ein Betrieb der Sensorelemente ohne Heizelement kommt in vielen Fällen nicht in Frage, da unbeheizte Sonden in manchen Fahrtzuständen zu kalt sind, um verwertbare Signale zu liefern. Die Anzahl der Anschlussleitungen bzw. Kabel des Sensorelements ist jedoch für den Preis der Sensorelemente ein wesentlicher Faktor. Es bestehen daher Bestrebungen, die Anzahl der Anschlusskontakte zu reduzieren. So beschreibt DE 10 2005 003 813 A1 beispielsweise ein Sensorelement, bei welchem die Messung der Nernst-Spannung relativ zu einer Fahrzeugmasse durchgeführt wird, wenn die Referenzelektrode mit der Masse verbunden ist. Dabei kann die Sprungsonde derart betrieben werden, dass eine Heizerversorgung über dasselbe Kabel geführt wird wie einer der beiden Anschlüsse der Nernstzelle, wobei das Signal getaktet ausgewertet wird. Dies ermöglicht den Betrieb einer beheizten Sprungsonde mit drei Kabeln bzw. Anschlüssen. Nach wie vor besteht jedoch, auch bei dem in DE 10 2005 003 813 A1 dargestellten Sensorelement, ein Bedarf für weitere Einsparungen, um die Kosten der Sensorelemente weiter zu verringern.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, das Auslesen der Nernstspannung und die Sondenbeheizung über dasselbe, vorzugsweise einzige, Anschlusskabel zu betreiben und die Beheizung bzw. das Auslesen relativ zu einer Masse, insbesondere einer Fahrzeug-Masse durchzuführen. Dementsprechend werden erfindungsgemäß ein Sensorelement sowie eine das Sensorelement umfassende Sensoranordnung vorgeschlagen, welche die Anzahl der Kontakte, mittels derer das Sensorelement kontaktiert werden muss, insbesondere die Anzahl der Kabel und/oder Zuleitungen, erheblich reduziert werden kann, bis hin zu einem einzigen Kabel.
  • Das Sensorelement dient der Bestimmung mindestens einer physikalischen Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum. Insbesondere kann das Sensorelement ausgestaltet sein, um eine Konzentration und/oder einen Partialdruck einer Gaskomponente in einem Gas in dem Messgasraum zu bestimmen, insbesondere einer Sauerstoffkonzentration bzw. einen Sauerstoffpartialdruck. Besonders bevorzugt ist das Sensorelement einsetzbar im Abgas einer Brennkraftmaschine. Auch andere Ausgestaltungen, nachzuweisende Gaskomponenten und Einsatzzwecke sind jedoch denkbar, wobei beispielsweise auf die obige Beschreibung des Standes der Technik verwiesen werden kann.
  • Das Sensorelement weist mindestens eine erste Elektrode, mindestens eine zweite Elektrode und mindestens einen die erste Elektrode und die zweite Elektrode verbindenden Festelektrolyten auf. Der Festelektrolyt kann beispielsweise ein Sauerstoffionen-leitender Festelektrolyt sein, beispielsweise Yttrium-stabilisiertes Zirkondioxid (YSZ). Auch andere Festelektrolytmaterialien sind jedoch einsetzbar. Die Elektroden können beispielsweise Cermet-Elektroden umfassen, beispielsweise Platin-Cermet-Elektroden. Die mindestens zwei Elektroden und der Festelektrolyt können dabei eine Nernstzelle bilden.
  • Weiterhin weist das Sensorelement mindestens ein Heizelement auf. Dieses Heizelement kann beispielsweise eine mäanderförmige Bahn von Heizwiderständen umfassen. Das Heizelement kann insbesondere ausgestaltet sein, um das Sensorelement auf eine optimale Betriebstemperatur aufzuheizen, beispielsweise eine Temperatur zwischen 500°C und 800°C. Das Heizelement weist mindestens zwei Heizkontakte auf. Mindestens ein erster Heizkontakt dieser Heizkontakte und die erste Elektrode sind über eine gemeinsame Anschlussleitung kontaktierbar. Diese gemeinsame Anschlussleitung ist vorzugsweise in einem keramischen Schichtaufbau des Sensorelements integriert, so dass diese mittels eines einzigen externen Anschlusses kontaktiert werden kann. Mindestens ein zweiter Heizkontakt der Heizkontakte und die zweite Elektrode sind mit einer gemeinsamen Masseleitung verbunden. Auch diese gemeinsame Masseleitung kann beispielsweise vollständig in dem keramischen Schichtaufbau integriert sein und kann beispielsweise mit einem Gehäuse des Sensorelements, beispielsweise einem metallischen Gehäuse, kontaktiert werden, so dass eine externe Kontaktierung dieser Masseleitung durch einen Kontakt bzw. ein Kabel nicht erforderlich ist. Eine derartige externe Kontaktierung ist jedoch ebenfalls möglich. Im Gegensatz zum Stand der Technik ist also vorzugsweise das Heizelement, insbesondere ein oder mehrere Heizmäander des Heizelements, zur Nernstzelle parallel geschaltet. Hierdurch lassen sich Zuleitungen einsparen, so dass das Sensorelement letztendlich mit lediglich einer Zuleitung betrieben werden kann.
  • Vorzugsweise steht die erste Elektrode mit dem Messgasraum in Verbindung, beispielsweise direkt oder über eine gasdurchlässige Schutzschicht, beispielsweise poröses Aluminiumoxid. Die zweite Elektrode steht vorzugsweise mit einem von dem Messgasraum getrennten Referenzgasraum in Verbindung. Auf diese Weise können die erste Elektrode und die zweite Elektrode, gemeinsam mit dem Festelektrolyten, eine Nernstzelle bilden, bei welcher das Potential der ersten Elektrode mit dem Potential der zweiten Elektrode in dem Referenzgasraum verglichen wird. Dabei kann der Referenzgasraum beispielsweise einen mit einer Arbeitsumgebung verbundenen Referenzgaskanal umfassen. Beispielsweise kann die Arbeitsumgebung einen Motorraum umfassen, in welchem Luft unter Normalbedingungen vorliegt. Auch andere Ausgestaltungen des Referenzgasraumes sind jedoch möglich. So kann beispielsweise ein abgeschlossener Referenzgasraum verwendet werden, also ein Referenzgasraum, welcher nicht oder nicht wesentlich mit Gas aus dem Messgasraum und/oder einer Arbeitsumgebung beaufschlagt wird. In diesem Fall kann beispielsweise eine Referenzatmosphäre innerhalb des abgeschlossenen Referenzgasraumes dadurch aufrechterhalten bzw. herbeigeführt werden, dass dieser Referenzgasraum als „gepumpte Referenz” betrieben wird, wie beispielsweise aus dem eingangs beschriebenen Stand der Technik bekannt ist. Zu diesem Zweck kann das Sensorelement beispielsweise mindestens eine weitere Pumpelektrode umfassen. Diese weitere Pumpelektrode, welche auch ganz oder teilweise identisch sein kann mit der ersten Elektrode, kann beispielsweise in einem von dem Referenzgasraum räumlich getrennten Referenzgaskanal angeordnet sein, um, gemeinsam mit der zweiten Elektrode in dem Referenzgasraum, beispielsweise gesteuert durch eine entsprechende Regelung in dem Referenzgasraum eine bestimmte Atmosphäre (beispielsweise λ = 1) herbeizuführen.
  • Besonders bevorzugt ist es, wenn zwischen der ersten Elektrode und der gemeinsamen Anschlussleitung mindestens ein Vorwiderstand, beispielsweise ein ohmscher Vorwiderstand, vorgesehen ist. Dieser Vorwiderstand kann vollständig in das keramische Sensorelement integriert sein, beispielsweise in einen Schichtaufbau dieses Sensorelements. Alternativ oder zusätzlich ist jedoch grundsätzlich auch eine Ausgestaltung des Vorwiderstands außerhalb des Schichtaufbaus denkbar.
  • Im Fall der Verwendung des mindestens einen Vorwiderstands, insbesondere bei zumindest teilweise in dem Schichtaufbau integriertem Vorwiderstand, ist das Heizelement zur Nernstzelle und dem Vorwiderstand parallel geschaltet. Der Vorwiderstand dient dazu, bei dieser Parallelschaltung eine Schädigung der Nernstzelle zu vermeiden, insbesondere bei einer getakteten Betriebsweise des Sensorelements, wie sie unten näher beschrieben wird. Vorzugsweise weist die Nernstzelle, welche die erste Elektrode, den Festelektrolyten und die zweite Elektrode umfasst, einen Nernstzellenwiderstand auf. Der Vorwiderstand ist in diesem Fall vorzugsweise derart gewählt, dass dieser im Betrieb des Sensorelements, das heißt beispielsweise bei typischen Betriebstemperaturen des Sensorelements, den 2- bis 10-fachen Betrag, vorzugsweise den ca. 6-fachen Betrag, des Nernstzellenwiderstands aufweist. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass der überwiegende Anteil der am Heizelement abfallenden Spannung, welcher aufgrund der beschriebenen Parallelschaltung auch an dem parallelen, die Nernstzelle und den Vorwiderstand umfassenden Zweig abfällt, am Vorwiderstand anliegt, so dass eine Schädigung der Nernstzelle vermieden wird.
  • Vorteilhafterweise kann jedoch auf den zusätzlichen Vorwiderstand auch gänzlich verzichtet werden, insbesondere wenn der ohmsche Widerstand der Nernstzelle selbst hinreichend groß ausgelegt wird. Dies kann beispielsweise über eine ausreichende Dicke des Festelektrolyten, beispielsweise des ZrO2-Materials, und/oder durch dessen Zusammensetzung erreicht werden. Der Widerstand sollte mindestens so groß gewählt werden, dass insbesondere nach Erreichen der Betriebstemperatur ein ausreichend großer Anteil der Heizspannung an dem Festelektrolyten, beispielsweise der ZrO2-Keramik, abfällt und nur so wenig an der Grenzfläche zwischen dem Festelektrolyt und der Elektrode bzw. den Elektroden, dass keine Schädigung auftritt.
  • Weiterhin wird eine Sensoranordnung zur Bestimmung mindestens einer physikalischen Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum vorgeschlagen, welche mindestens ein Sensorelement nach einem oder mehreren der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele umfasst. Weiterhin umfasst die Sensoranordnung mindestens eine Steuerung, welche beispielsweise ganz oder teilweise in ein Motorsteuerungsgerät eines Kraftfahrzeugs integriert sein kann. Auch eine separate Steuerung ist jedoch möglich. Dabei kann die Steuerung eingerichtet sein, um das im Folgenden beschriebene Verfahren zum Betrieb des Sensorelements durchzuführen, so dass neben der beschriebenen Steuerung und der Sensoranordnung auch ein derartiges Betriebsverfahren zum Betreiben des Sensorelements erfindungsgemäß vorgeschlagen wird. Die Steuerung kann beispielsweise ganz oder teilweise mittels einer Datenverarbeitungseinrichtung durchgeführt werden und kann entsprechende programmtechnische Schritte umfassen, welche beispielsweise mittels eines geeigneten Computerprogramms implementiert sind.
  • Die Steuerung ist eingerichtet, um die Anschlussleitung wahlweise mit einer elektrischen Energiequelle oder einer Messvorrichtung zu verbinden. Für dieses wahlweise Verbinden können beispielsweise ein oder mehrere Schalter vorgesehen sein, so dass insbesondere eine entweder- oder -Verbindung hergestellt werden kann. Die elektrische Energiequelle kann beispielsweise eine Spannungs- und/oder Stromquelle umfassen. Beispielsweise kann die Steuerung eingerichtet sein, um die Anschlussleitung mit einem elektrischen Pluspol der elektrischen Energiequelle zu verbinden. Die Messvorrichtung kann insbesondere eine elektrische Messvorrichtung umfassen, insbesondere eine Spannungsmessvorrichtung und/oder eine Strommessvorrichtung.
  • Während die oben beschriebene Sensoranordnung mit den ersten und zweiten Elektroden, dem Festelektrolyten, der Anschlussleitung und der Masseleitung vorzugsweise als monolithisches Sensorelement ausgestaltet ist, also als ein einziger keramischer Schichtaufbau, ist die Steuerung vorzugsweise separat zu diesem Schichtaufbau ausgestaltet. Zu diesem Zweck kann die Steuerung beispielsweise über ein oder mehrere Anschlussleitungen bzw. Kabel mit dem Sensorelement verbunden sein. Wie oben beschrieben, wird dabei vorzugsweise lediglich ein einzelnes Kabel verwendet, um die Steuerung mit der Anschlussleitung zu verbinden, wohingegen die Masseleitung mit einer Masse des Sensorelements verbunden ist. Diese Masse, welche beispielsweise ein Sensorgehäuse umfassen kann, kann beispielsweise mit einem Motorblock oder der Masse eines Kraftfahrzeugs verbunden sein.
  • Besonders bevorzugt ist es, wenn die Steuerung derart eingerichtet ist, dass in mindestens einer Heizphase die Anschlussleitung mit der elektrischen Energiequelle verbunden ist und in mindestens einer Messphase mit der Messvorrichtung. Die Steuerung kann insbesondere eingerichtet sein, um aus mindestens einem Signal der Messvorrichtung auf die physikalische Eigenschaft des Gases, insbesondere auf eine Sauerstoffkonzentration bzw. einen Sauerstoffpartialdruck, zu schließen. Dieser Auswertungsvorgang kann absolut erfolgen, indem das absolute Signal der Messvorrichtung beispielsweise analytisch, empirisch oder semiempirisch mit der physikalischen Eigenschaft korreliert wird, beispielsweise über entsprechende Auswertungsfunktionen, Tabellen, Korrelationskurven oder ähnliches. Alternativ oder zusätzlich kann jedoch auch beispielsweise eine Zweipunktregelung verwendet werden, bei welcher der Auswertungsschritt lediglich darin besteht, dass festgestellt wird, ob sich beispielsweise ein Gasgemisch in einem fetten Zustand oder in einem mageren Zustand befindet. In diesem Fall ist die Auswertung also eine digitale Auswertung, welche anstelle eines absoluten Messwertes lediglich eine Fett/Mager-Information liefert.
  • Besonders bevorzugt ist es, wenn das Sensorelement getaktet betrieben wird. Dabei erfolgt das Auslesen der Nervst-Spannung vorzugsweise in einer Zeit zwischen zwei Heiztakten. Dementsprechend kann zwischen Heizphasen und Messphasen abwechselnd hin- und hergeschaltet werden. Dabei können beispielsweise die Heizphasen länger ausgestaltet sein als die Messphasen. Auch variable zeitliche Langen der Phasen sind denkbar, beispielsweise im Rahmen einer Pulsweitenmodulation.
  • Da bei der Parallelschaltung des Heizelements der Nernstzelle trotz des Vorwiderstands in der Regel eine nicht unerhebliche Spannung an der Nernstzelle abfällt, kann unter Umständen während der Heizphase aufgrund von Pumpeffekten durch die Nernstzelle eine Veränderung der Gasgemischzusammensetzung in dem Referenzgasraum auftreten. Beispielsweise kann, wenn ein Referenzgaskanal verwendet wird, der Nachstrom bzw. der Abstrom aus dem Bereich um die zweite Elektrode begrenzt sein, so dass durch das Pumpen der Referenzgaskanal entleert wird bzw. der Sauerstoffpartialdruck im Referenzgaskanal im Bereich der zweiten Elektrode sinkt. Dieser Effekt kann dadurch vermindert werden, dass das Heizelement mit wechselnder Polarität betrieben wird. Zu diesem Zweck kann beispielsweise die Steuerung eingerichtet sein, um in aufeinander folgenden Heizphasen das Heizelement mit wechselnder elektrischer Polarität zu betreiben.
  • Auf diese Weise lassen sich also, durch Implementierung der erfindungsgemäßen Idee, ein Sensorelement und eine Sensoranordnung herstellen, welche äußerst einfach im Aufbau sind und welche gleichzeitig dennoch eine zuverlässige und kontrollierbare Referenz für eine Messung des Nernstpotentials bereitstellen.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
  • 1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung mit einer einzigen Zuleitung und einem Referenzluftkanal.
  • In 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung 110 schematisch dargestellt. Die Sensoranordnung 110 umfasst ein Sensorelement 112 und eine Steuerung 114, welche über eine einzelne Zuleitung 116 miteinander verbunden sind. Das Sensorelement 112 umfasst ein in 1 symbolisch angedeutetes Gehäuse 118, welches beispielsweise mit einer Masse 120 eines Kraftfahrzeugs verbunden sein kann. In dem Gehäuse ist das eigentliche aktive Sensorelement als keramischer Schichtaufbau 122 integriert. Für mögliche Gehäuseformen 118, insbesondere Bauformen und weitere Details, kann beispielsweise auf Robert Bosch GmbH: „Sensoren im Kraftfahrzeug", 1. Ausgabe, 2001, Seiten 112 bis 115 verwiesen werden.
  • Das Sensorelement 112 bzw. der keramische Schichtaufbau 122 umfassen eine erste Elektrode 124, einen Festelektrolyten 126 und eine zweite Elektrode 128. Während die erste Elektrode 124 mit einem Messgasraum 130, beispielsweise einem Abgastrakt einer Brennkraftmaschine, in Verbindung steht, in welchem eine Sauerstoffkonzentration bzw. ein Sauerstoffpartialdruck ermittelt werden soll, ist die zweite Elektrode 128 in einem Referenzgasraum 132 angeordnet. Dieser Referenzgasraum 132 ist in dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel Teil eines Referenzluftkanals 134, über welchen der Referenzgasraum 132 beispielsweise mit einem Motorraum, welcher vom Messgasraum 130 getrennt ist, in Verbindung steht. Der Referenzluftkanal 134 kann beispielsweise als offener Kanal oder als mit einem gasdurchlässigen, porösen Medium (beispielsweise einem offenporigem Aluminiumoxid) gefüllter Referenzluftkanal ausgestaltet sein. Die Verbindung zwischen dem Referenzluftkanal 134 und der Arbeitsumgebung, insbesondere dem Motorraum, ist in 1 nicht dargestellt.
  • Weiterhin umfasst das Sensorelement 112 in dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ein Heizelement 136. Dieses Heizelement 136 dient dazu, das Sensorelement 112 auf eine optimale Betriebstemperatur zu regeln, beispielsweise um eine Sauerstoffionenleitfähigkeit des Festelektrolyten 126 einzustellen und um eine ausreichende Robustheit gegen Schadstoffe aus dem Abgas sicherzustellen.
  • Die beiden Elektroden 124 und 128 und der diese Elektroden verbindende Festelektrolyt 126 bilden gemeinsam eine Nernstzelle 138. Während die erste Elektrode 124, welche direkt oder über eine gasdurchlässige Schutzschicht (beispielsweise eine offenporige Aluminiumoxid-Schicht, welche in 1 nicht dargestellt ist) mit dem Messgasraum 130 in Verbindung steht, wird die zweite Elektrode 128 über den Referenzluftkanal 134 mit einer definierten Gaszusammensetzung beaufschlagt. Die Nernstzelle 138 verfügt somit über eine erste Nernstzellen-Zuleitung 140, welche beispielsweise als Leiterbahn auf der Oberseite des keramischen Schichtaufbaus 122 angeordnet ist und welche die erste Elektrode 124 kontaktiert, und eine zweite Nernstzellen-Zuleitung 142, welche beispielsweise in dem Referenzluftkanal 134 angeordnet ist und welche die zweite Elektrode 128 kontaktiert.
  • Entsprechend verfügt das Heizelement 136, welches beispielsweise als Heizmäander ausgestaltet ist oder beispielsweise mindestens einen Heizmäander umfasst, über einen ersten Heizkontakt 144 und einen zweiten Heizkontakt 146. Die Heizkontakte 144, 146 und die Nernstzellen-Zuleitungen 140, 142 können beispielsweise als gedruckte leitfähige Bahnen in dem Schichtaufbau 122 realisiert sein und können zusätzliche, in 1 nicht dargestellte Isolationsschichten umfassen.
  • Erfindungsgemäß sind bei dem Sensorelement 112 in 1 die zweite Nernstzellen-Zuleitung, welche die als Referenzelektrode fungierende zweite Elektrode 128 kontaktiert, und der zweite Heizkontakt 146 mit einer gemeinsamen Masseleitung 148 verbunden. Diese Zusammenfassung der Leitungen 142 und 146 kann noch innerhalb des Schichtaufbaus 122 erfolgen oder kann auch außerhalb dieses Schichtaufbaus, jedoch innerhalb des Gehäuses 118, erfolgen. Eine Zusammenfassung innerhalb des Schichtaufbaus ist beispielsweise durch Verwendung entsprechender Durchkontaktierungen möglich. In 1 ist symbolisch eine Zusammenfassung zur gemeinsamen Masseleitung 148 außerhalb des keramischen Schichtaufbaus 122 angedeutet. Die Masseleitung 148 kann beispielsweise mit der Masse 120 verbunden sein, welche beispielsweise wiederum ihrerseits mit dem Gehäuse 118 verbunden sein kann.
  • In die erste Nernstzellen-Zuleitung 140 ist ein Vorwiderstand 150 integriert. Dieser Vorwiderstand 150 kann beispielsweise Bestandteil des keramischen Schichtaufbaus 122 sein oder kann, alternativ oder zusätzlich und wie in 1 dargestellt, auch außerhalb des keramischen Schichtaufbaus 122 reali siert sein. Ohmsche Widerstände lassen sich beispielsweise durch entsprechende Druckschichten erzeugen, beispielsweise durch keramische Druckschichten oder ähnliche Materialien. Auch eine Verteilung des Vorwiderstands 150 auf mehrere Teilwiderstände, welche beispielsweise in Reihe geschaltet sein können, ist denkbar. Alternativ kann anstelle des Vorwiderstands 150 auch, wie oben ausgeführt, der Widerstand der Nernstzelle 138, beispielsweise durch Wahl einer geeigneten Geometrie und/oder durch Wahl einer geeigneten Materialzusammensetzung und/oder durch eine geeignete Betriebstemperatur, hinreichend groß gewählt werden.
  • Die erste Nernstzellen-Zuleitung 140 und der erste Heizkontakt 144 sind mit einer gemeinsamen Anschlussleitung 152 verbunden. Auch diese Verbindung der Leitungen 140, 144 zur gemeinsamen Anschlussleitung 152 kann beispielsweise wiederum innerhalb des keramischen Schichtaufbaus 122 erfolgen, beispielsweise wiederum durch Verwendung entsprechender Durchkontaktierungen. In diesem Fall ist der Vorwiderstand 150 vorzugsweise Bestandteil des keramischen Schichtaufbaus 122. Alternativ kann, wie in 1 angedeutet, die Verbindung mit der gemeinsamen Anschlussleitung 152 auch außerhalb des keramischen Schichtaufbaus 122 erfolgen, wie in 1 angedeutet.
  • Das Sensorelement 112 verfügt also in dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel lediglich über einen einzigen Anschlusskontakt, welcher symbolisch mit der Bezugsziffer 154 bezeichnet ist und welcher mit der Anschlussleitung 152 verbunden ist. Der Anschlusskontakt 154 kann wiederum mit der Zuleitung 116 verbunden sein, welche das Sensorelement 112 mit der Steuerung 114 verbindet.
  • Innerhalb der Steuerung ist ein Schalter 156 vorgesehen, über welchen die gemeinsame Anschlussleitung 152 wahlweise mit einer elektrischen Energiequelle 158 oder mit einer Messvorrichtung 160 verbindbar ist. Der Schalter 156 kann beispielsweise ein durch eine elektronische Steuervorrichtung, beispielsweise einen Mikrocontroller, gesteuerter Schalter sein. Die elektrische Energiequelle 158 kann beispielsweise eine Spannungsquelle umfassen, beispielsweise eine Spannungsquelle mit einer konstanten Spannung von ca. 11 V, wobei über den Schalter 156 die Anschlussleitung 152 beispielsweise mit einem Pluspol dieser Spannungsquelle verbindbar ist.
  • Die Messvorrichtung 160 kann, wie in 1 gezeigt, beispielsweise eine Spannungsmessvorrichtung umfassen, welche in 1 symbolisch angedeutet ist. Beispielsweise kann die Spannung über einem Messwiderstand (in 1 nicht gezeigt) gemessen werden. Die Messvorrichtung 160 kann auf ihrer dem Schalter 156 gegenüberliegenden Seite beispielsweise mit einer Masse 120 verbunden sein.
  • Bei üblichen, dem Stand der Technik entsprechenden Sensorelementen, wird die Nernst-Spannung an der Nernstzelle 138 üblicherweise zwischen der als Nernstelektrode fungierenden ersten Elektrode 124 und der als Referenzelektrode fungierenden zweiten Elektrode 128 abgegriffen und ein Sollwert für λ = 1 beispielsweise auf 450 mV festgelegt. Die Referenzelektrode liegt dabei auf Zirkonoxid und befindet sich in dem Referenzluftkanal 134 oder wird als gepumpte Referenz betrieben. Bei üblichen Sensorelementen verfügt das Heizelement 136 über zwei separate Anschlüsse. Insgesamt muss das Sensorelement also mit vier Kontakten bzw. Anschlüssen kontaktiert werden.
  • Das erfindungsgemäße Sensorelement 112 in 1 ist demgegenüber derart ausgelegt, dass dieses ausschließlich mit der einzigen Zuleitung 116 kontaktiert werden kann. Der Heizerstromkreis des Heizelements 136 verfügt lediglich über ein einzelnes Anschlusskabel, und der Strom fließt vom Pluspol der Energiequelle 158 über das Heizelement 136 zur Fahrzeugmasse 120. Parallel zum Heizmäander des Heizelements 136 ist die Nernstzelle 138 und der zu ihr in Reihe liegende Vorwiderstand 150 geschaltet.
  • Vorzugsweise ist der Heizmäander des Heizelements 136 möglichst hochohmig ausgeführt, beispielsweise mit einem Heizwiderstand von 30 Ohm. Damit lasst sich bei einer Spannung von beispielsweise 10,7 V eine Heizleistung von ca. 3,8 W in das Heizelement 136 einspeisen, von denen durch niederohmige Auslegung der Zuleitung (das heißt der Leitungen 144, 146, 148 und 116) ein möglichst großer Anteil am Mäander, also am eigentlichen Heizwiderstand, des Heizelements 136 abfallen sollte.
  • Vorzugsweise weist die Nernstzelle 138 einen Nernstzellenwiderstand auf und das Heizelement 136 einen Heizerwiderstand. Dabei sind Heizerwiderstand und Nernstzellenwiderstand derart gewählt, dass bei der Betriebstemperatur der Heizerwiderstand zumindest näherungsweise (d. h. beispielsweise mit einer Abweichung von nicht mehr als 20%) ein Fünftel des Nernstzellenwiderstands, zuzüglich des Widerstands des optional vorhandenen Vorwiderstands 150, beträgt.
  • Da das Sensorelement 112 lediglich über den einzigen Anschlusskontakt 154 verfügt, und das die Nernstzelle 138 und das Heizelement 138 parallel geschaltet sind, sollte die Ansteuerung der Sensoranordnung 110 mittels der Steuerung 114 getaktet erfolgen. Zu diesem Zweck kann, beispielsweise softwaregesteuert, der Schalter 156 getaktet hin- und hergeschaltet werden, so dass beispielsweise jeweils in Heizphasen der Schalter 156 in der in 1 gezeigten Stellung steht, wohingegen in Messphasen der Schalter 156 derart geschaltet ist, dass die Zuleitung 116 mit der Messvorrichtung 160 verbunden ist. Die Heiz- und Messphasen können dabei gleich- oder unterschiedlich lang ausgestaltet sein. Auch eine variable Ausgestaltung ist möglich, beispielsweise in Form einer lediglich bedarfswei sen Zwischenschaltung einer oder mehrerer Messphasen zwischen eine oder mehrere längere Heizphasen.
  • Damit keine Auskühlung des Heizelements 136 erfolgt, insbesondere in den Messphasen, wird bei einer getakteten Schaltung vorzugsweise ein hohes Tastverhältnis, also ein hohes Verhältnis zwischen den Heizphasen und den Messphasen, gewählt. Beispielsweise lassen sich Tastverhältnisse zwischen 20% und 50% wählen. Außerdem kann das Gehäuse 118 als Schutzrohr ausgestaltet sein, welches geschlossen ausgeführt sein kann.
  • Die Nernstzelle 138 sollte bei Verwendung des Vorwiderstands 150 einen möglichst geringen Gleichstromwiderstand aufweisen, beispielsweise maximal 20 Ohm. Der Vorwiderstand 150 der Nernstzelle 138 sollte etwa sechsmal so groß sein wie der Nernstzellenwiderstand der Nernstzelle 138, also beispielsweise 120 Ohm betragen. Während der Heizphasen, also dem Takt, in welchem das Heizelement 136 beaufschlagt wird, fallen somit bei dem obigen Ausführungsbeispiel ca. 11 V über dem Heizmäander des Heizelements 136 ab. Aufgrund der erfindungsgemäßen Parallelschaltung fällt die gleiche Spannung über der Nernstzelle 138 und dem Vorwiderstand 150 ab. Mit den erwähnten Widerstandsverhältnissen fallen dabei bei Betriebstemperatur ca. 1,5 V über der Nernstzelle 138 ab, die übrige Spannung am Vorwiderstand 150. Bei dieser Spannung findet noch keine Schädigung der Nernstzelle 138, insbesondere des Zirkonoxids des Festelektrolyten 126, statt. Vor einem Erreichen der Betriebstemperatur ist der Zirkonoxidwiderstand und damit der Nernstzellenwiderstand noch höher, und es fällt mehr Spannung über dem Volumen des Festelektrolyten 126 ab. Die Grenzfläche zwischen den Elektroden 124, 128, also beispielsweise den Platinelektroden, und dem Festelektrolyten 126 erfährt jedoch keinen bedeutend größeren Spannungsabfall während dieser Aufheizphase. Eine Schädigung durch zu hohe Spannung tritt jedoch in der Regel an diesen Grenzflächen auf, indem dort Zirkonoxid reduziert wird und metallisches Zirkon entsteht, was zu einer Braunfärbung des Sensorelements 112 bzw. des keramischen Schichtaufbaus 122 und einem elektrischen Nebenschluss führen kann. Dies wird jedoch aufgrund des überwiegenden Spannungsabfalls im inneren Volumen des Festelektrolyten 126 vorliegend nicht der Fall sein.
  • Zwischen zwei aufeinander folgenden Heizphasen liegt vorzugsweise keine externe Spannung am Heizmäander des Heizelements 136 und an der Nernstzelle 138 an. In diesem Zeitraum kann die Nernstspannung und damit die Abgaszusammensetzung ermittelt werden. Falls ein fettes Abgas im Messgasraum 130 vorliegt, erzeugt die Nernstzelle 138 eine Spannung von ca. 800 mV. Diese Spannung resultiert in einem Stromfluss über den Vorwiderstand 150 und den Heizmäander, welcher I = 0,8 V/(30 Ohm + 20 Ohm + 120 Ohm) = 4,7 mA beträgt. Ein Strom dieses Betrags kann problemlos von der Nernstzelle 138 geliefert werden.
  • Um ein „Leerpumpen” des Referenzluftkanals 134 bzw. eine messbare Änderung der Zusammensetzung der Atmosphäre in diesem Referenzluftkanal 134 zu vermeiden, sollte dieser Referenzluftkanal 134 mit einem hohen Speichervolumen und/oder einem hohen Grenzstrom ausgestattet sein. Alternativ oder zusätzlich kann in einer weiteren Ausführungsform das Heizelement 136 durch geeignete Ausgestaltung der elektrischen Energiequelle 158 und/oder durch einen zusätzlichen Umpolschalter in der Steuerung 114 derart betrieben werden, dass das Heizelement 136 mit einer wechselnden Polarität beaufschlagt wird. Auch auf diese Weise lässt sich eine Entleerung des Referenzluftkanals 134 vermeiden. Vorzugsweise wird bei einer derartigen Beaufschlagung mit wechselnden Polaritäten die positive Polarität länger an das Heizelement 136 angelegt, um den Referenzgasraum 132 geringfügig „aufzupumpen”, das heißt mit einem erhöhten Sauerstoffpartialdruck zu beaufschlagen. Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform wird der erste Heizkontakt 144 vorzugsweise mit dem Pluspol der elektrischen Energiequelle 158 verbunden, so dass der Referenzluftkanal 134 gefüllt wird, da ansonsten der fließende Strom von I = (1,5 V)/20 Ohm = 80 mA eine Verschiebung des Elektrodenpotentials der als Referenzelektrode fungierenden zweiten Elektrode 128 provozieren könnte (Continuous Shift Down, CSD).
  • Bei dem oben beschriebenen Stromfluss von 4,7 mA beträgt der Spannungsabfall über dem Heizmäander des Heizelements 136 U = 4,7 mA·30 Ohm = 141 mV. Dieser Spannungsabfall kann mittels der Messvorrichtung 160 zwischen dem ersten Heizkontakt 144 und der Masse 120 detektiert werden. Falls eine magere Abgaszusammensetzung vorliegt, so wird hierbei eine Spannung von ca. U = 0 mV gemessen.
  • Die gegebenenfalls auf der Fahrzeugmasse 120 anliegenden Störspannungen betragen typischerweise bis zu ca. 50 mV. Applikationsspezifisch muss dieser Wert abgesichert werden. Falls dieser Wert der Störspannungen in den Bereich der mittels der Messvorrichtung 160 zu messenden Spannungen kommt, müssen die oben beschriebenen Widerstandswerte, insbesondere der Wert des Vorwiderstands 150, anders dimensioniert werden.
  • Bei dem oben beschriebenen alternativen Verfahren ohne Vorwiderstand 150 beträgt der innere Widerstand der Nernstzelle 138 beispielsweise 140 Ω. Dann ergeben sich zumindest näherungsweise dieselben Spannungen wie bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel mit Vorwiderstand 150.
  • Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Sensorelement 112 als Sensorelement mit Referenzluftkanal 134 ausgestaltet. Wie oben beschrieben, kann jedoch alternativ oder zusätzlich auch eine gepumpte Referenz verwendet werden. Bei einer derartigen gepumpten Referenz kann die Polung der Nernstzelle 138 derart ausgeführt sein, dass während der Heizphasen, in denen beispielsweise 1,5 V an der Nernstzelle 138 anliegen können, der Referenzgasraum 132 mit Sauerstoff aufgepumpt wird. Dies bedeutet, dass die erste Elektrode 124 bzw. eine zusätzliche Pumpelektrode, welche für die Befüllung des Referenzgasraums 132 verwendet wird, als Anode betrieben werden sollte, also mit einem Minuspol einer Pumpspannungsquelle verbunden sein sollte.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • - EP 0678740 B [0005]
    • - DE 102005003813 A1 [0006, 0006]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • - Robert Bosch GmbH: Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Ausgabe 2001, S. 112-115 [0003]
    • - Robert Bosch GmbH: „Sensoren im Kraftfahrzeug”, 2001, S. 116-117 [0005]
    • - Robert Bosch GmbH: „Sensoren im Kraftfahrzeug”, 1. Ausgabe, 2001, Seiten 112 bis 115 [0024]

Claims (13)

  1. Sensorelement (112) zur Bestimmung mindestens einer physikalischen Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum (130), insbesondere zur Bestimmung einer Sauerstoffkonzentration im Abgas einer Brennkraftmaschine, wobei das Sensorelement (112) mindestens zwei Elektroden (124, 128) und mindestens einen die Elektroden (124, 128) verbindenden Festelektrolyten (126) aufweist, wobei das Sensorelement (112) weiterhin mindestens ein Heizelement (136) mit mindestens zwei Heizkontakten (144, 146) aufweist, wobei mindestens ein erster Heizkontakt (144) der Heizkontakte (144, 146) und eine erste Elektrode (124) der Elektroden (124, 128) über eine gemeinsame Anschlussleitung (152) kontaktierbar sind und wobei mindestens ein zweiter Heizkontakt (146) der Heizkontakte (144, 146) und eine zweite Elektrode (128) der Elektroden (124, 128) mit einer gemeinsamen Masseleitung (148) verbunden sind.
  2. Sensorelement (112) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die erste Elektrode (124) mit dem Messgasraum (130) in Verbindung steht und wobei die zweite Elektrode (128) mit einem von dem Messgasraum (130) getrennten Referenzgasraum (132) in Verbindung steht.
  3. Sensorelement (112) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Referenzgasraum (132) mindestens einen der folgenden Referenzgasräume aufweist: – einen mit einer Arbeitsumgebung verbundenen Referenzgaskanal (134); – einen abgeschlossenen Referenzgasraum.
  4. Sensorelement (112) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Referenzgasraum (132) einen abgeschlossenen Referenzgasraum umfasst, wobei das Sensorelement (112) mindestens eine weitere Pumpelektrode (124) umfasst, welche eingerichtet ist, um den Referenzgasraum als gepumpten Referenzgasraum zu betreiben.
  5. Sensorelement (112) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen der ersten Elektrode (124) und der gemeinsamen Anschlussleitung (152) mindestens ein Vorwiderstand (150) vorgesehen ist.
  6. Sensorelement (112) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die erste Elektrode (124), der Festelektrolyt (126) und die zweite Elektrode (128) eine Nernstzelle (138) bilden, wobei die Nernstzelle (138) einen Nernstzellenwiderstand aufweist, wobei der Vorwiderstand (150) derart gewählt ist, dass dieser im Betrieb des Sensorelements (112) den 2- bis 10-fachen Betrag, vorzugsweise den 6-fachen Betrag, des Nernstzellenwiderstands aufweist.
  7. Sensorelement (112) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Elektrode (124), der Festelektrolyt (126) und die zweite Elektrode (128) eine Nernstzelle (138) bilden, wobei die Nernstzelle (138) einen Nernstzellenwiderstand aufweist, wobei ein Widerstand des Heizelements (136) bei einer Betriebstemperatur zumindest näherungsweise ein Fünftel des Nernstzellenwiderstands, zuzüglich optional des Widerstands des Vorwiderstands (150), beträgt.
  8. Sensoranordnung (110) zur Bestimmung mindestens einer physikalischen Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum (130), insbesondere zur Bestimmung einer Sauer-stoffkonzentration im Abgas einer Brennkraftmaschine, umfassend mindestens ein Sensorelement (112) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend mindestens ein Steuerung (114), wobei die Steuerung (114) eingerichtet ist, um die Anschlussleitung (152) wahlweise mit einer elektrischen Energiequelle (158), vorzugsweise einem elektrischen Pluspol der elektrischen Energiequelle (158), oder einer Messvorrichtung (160), insbesondere einer Spannungsmessvorrichtung und/oder einer Strommessvorrichtung, zu verbinden.
  9. Sensoranordnung (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Steuerung (114) eingerichtet ist, um das Sensorelement (112) derart zu betreiben, dass die Masseleitung (148) mit einer elektrischen Masse (120) verbunden ist, vorzugsweise mit der Masse (120) eines Kraftfahrzeugs.
  10. Sensoranordnung (110) nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuerung (114) eingerichtet ist, um in mindestens einer Heizphase die Anschlussleitung (152) mit der elektrische Energiequelle (158) zu verbinden, und wobei die Steuerung (114) weiterhin eingerichtet ist, um in mindestens einer Messphase die Anschlussleitung (152) mit der Messvorrichtung (160) zu verbinden, wobei die Steuerung (114) weiterhin eingerichtet ist, um aus mindestens einem Signal der Messvorrichtung (160) auf die physikalische Eigenschaft des Gases, insbesondere auf eine Sauerstoffkonzentration und/oder einen Sauerstoffpartialdruck, zu schließen.
  11. Sensoranordnung (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Steuerung (114) eingerichtet ist, um eine getaktete Messung durchzuführen, wobei Heizphasen und Messphasen abwechselnd durchgeführt werden.
  12. Sensoranordnung (110) nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei die Heizphasen länger sind als die Messphasen.
  13. Sensoranordnung (110) nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuerung (114) eingerichtet ist, um in aufeinander folgenden Heizphasen das Heizelement (136) mit wechselnder elektrischer Polarität zu betreiben.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102012200062A1 (de) * 2012-01-03 2013-07-04 Continental Automotive Gmbh Brennkraftmaschine mit im Luftansaugtrakt angeordnetem Sauerstoffsensor und Sauerstoffsensor

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102015226017A1 (de) * 2015-12-18 2017-06-22 Robert Bosch Gmbh Sensorelement zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum
US10738754B2 (en) * 2017-09-26 2020-08-11 The Boeing Company Rapid sample ignition test system

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0678740B1 (de) 1994-04-21 2001-06-27 Ngk Insulators, Ltd. Verfahren und Vorrichtung zum Messen von einem Gaskomponenten
DE102005003813A1 (de) 2005-01-27 2006-08-17 Volkswagen Ag Anschlussschaltung für Lambda-Sprungsonde

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5882040A (ja) * 1981-11-11 1983-05-17 Hitachi Ltd 空燃比制御装置
JPH0684950B2 (ja) * 1987-03-03 1994-10-26 日本碍子株式会社 電気化学的装置
JPH0635954B2 (ja) * 1987-05-12 1994-05-11 日本特殊陶業株式会社 空燃比検出装置
JP3493785B2 (ja) * 1995-01-27 2004-02-03 株式会社デンソー 酸素濃度検出器
US6723217B1 (en) * 1999-10-20 2004-04-20 Delphi Technologies, Inc. Method and device for pumping oxygen into a gas sensor
US7153412B2 (en) * 2001-12-28 2006-12-26 Kabushiki Kaisha Toyota Chuo Kenkyusho Electrodes, electrochemical elements, gas sensors, and gas measurement methods
DE102006014681A1 (de) * 2006-03-28 2007-10-04 Robert Bosch Gmbh Gassensor

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0678740B1 (de) 1994-04-21 2001-06-27 Ngk Insulators, Ltd. Verfahren und Vorrichtung zum Messen von einem Gaskomponenten
DE102005003813A1 (de) 2005-01-27 2006-08-17 Volkswagen Ag Anschlussschaltung für Lambda-Sprungsonde

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Robert Bosch GmbH: "Sensoren im Kraftfahrzeug", 2001, S. 116-117
Robert Bosch GmbH: Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Ausgabe 2001, S. 112-115

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102012200062A1 (de) * 2012-01-03 2013-07-04 Continental Automotive Gmbh Brennkraftmaschine mit im Luftansaugtrakt angeordnetem Sauerstoffsensor und Sauerstoffsensor
DE102012200062B4 (de) * 2012-01-03 2015-07-23 Continental Automotive Gmbh Brennkraftmaschine mit im Luftansaugtrakt angeordnetem Sauerstoffsensor und Sauerstoffsensor

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