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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. Insbesondere
werden Sensorelemente dieser Art in so genannten „Lambdasonden” eingesetzt
und spielen eine wesentliche Rolle bei der Reduzierung von Schadstoffen
in Abgasen, sowohl in Ottomotoren als auch in der Dieseltechnologie.
Auch auf andere Arten von Sensorelementen, welche Festelektrolyte
der beschriebenen Art umfassen, ist die Erfindung jedoch anwendbar,
also neben Sprungsonden und Breitbandsonden beispielsweise auch
auf Partikelsensoren oder ähnliche Arten von Sensoren mit
Festelektrolyten, zum Beispiel auch zur Messung von CO, NOx oder NH3. Ohne
Beschränkung des Schutzumfangs wird im Folgenden die Erfindung
am Beispiel von Lambdasonden erläutert, wobei jedoch, im Lichte
der obigen Ausführungen, auch andere Arten von Sensorelementen,
beispielsweise Sensorelemente zur Bestimmung der Konzentration bzw.
des Molenbruchs anderer Gaskomponenten, beispielsweise Sauerstoff
enthaltender Gaskomponenten, hergestellt werden können.
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Mit
der so genannten Luftzahl „Lambda” (λ) wird
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) ein gesetzt, beispielsweise in der Luftfahrttechnik
oder bei der Regelung von Brennern, z. B. in Heizanlagen oder Kraftwerken.
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Lambdasonden
sind in verschiedenen Ausführungsformen bekannt. Eine erste
Ausführungsform stellt die so genannte „Sprungsonde” dar,
deren Messprinzip auf der Messung einer elektrochemischen Potenzialdifferenz
zwischen einem Referenzgas und dem zu messenden Gasgemisch beruht.
Referenzelektrode und Messelektrode sind über den Festelektrolyten
miteinander verbunden. Als Festelektrolyt wird aufgrund seiner guten
Sauerstoffionenleitenden Eigenschaften in der Regel Zirkondioxid
(z. B. Yttrium-stabilisiertes Zirkondioxid, YSZ) oder ähnliche
Keramiken eingesetzt. 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. Die beschriebenen Sensorprinzipien
von Sprungzellen und Pumpzellen lassen sich vorteilhaft auch kombiniert
einsetzen in so genannten „Mehrzellern”. Pumpzellen
und Mehrzeller kommen insbesondere als so genannte Breitbandsonden
zum Einsatz, also als Sonden, welche nicht nur im Bereich λ =
1, sondern auch in anderen Luftzahlbereichen einsetzbar sind. Beispiele
derartiger Breitbandsonden und deren Betriebsweise sind in Robert
Bosch GmbH: Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Ausgabe, Juni 2001, S.
116–117 beschrieben.
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Viele
Lambdasonden, insbesondere Breitband-Lambdasonden nach dem Doppelzellenprinzip, arbeiten
mit einem Elektrodenhohlraum, in welchem mindestens eine der Elektroden
angeordnet ist. Dabei wird beispielsweise im statisch geregelten
Fall der Sauerstoffpartialdruck in diesem Elektrodenhohlraum über
die gemessene Nernstspannung konstant gehalten. Über eine
Strömungsbarriere, welche in der Literatur häufig
auch als Diffusionsbarriere bezeichnet wird, diffundiert eine begrenzte
Gasmenge aus dem Abgas in den Elektrodenhohlraum. Beim Abpumpen
des Sauerstoffs bzw. beim Zupumpen von Sauerstoff kann aus dem Pumpstrom
auf den jeweiligen Sauerstoffüberschuss bzw. Sauerstoffmangel
geschlossen werden. Um konstante Diffusionsbedingungen in der Strömungsbarriere
einzustellen, wird über eine Regelung häufig der
Innenwiderstand der Nernstzelle oder vorzugsweise der Innenwiderstand
eines Heizelements konstant gehalten.
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Dabei
kommt den Transportprozessen, welchen die Gasmoleküle,
insbesondere Sauerstoff, auf ihrem Weg hin in den Elektrodenhohlraum
unterworfen sind, eine essentielle Bedeutung für die Eigenschaften
der Lambdasonde zu. So soll eine Lambdasonde in der Regel lediglich
den Mengenanteil einer Gaskomponente, beispielsweise den Molenbruch
an Sauerstoff und/oder Fettgasen im Abgas, ermitteln, um die Brennkraftmaschine
geeignet zu betreiben. Da die Diffusion jedoch durch den Partialdruck
bestimmt ist, kann die Lambdasonde in der Regel lediglich diesen
messen. Erst bei bekanntem Gesamtdruck kann aus dem Partialdruck
auf den Molenbruch umgerechnet werden. Um diesen Gesamtdruck zu bestimmen,
ist jedoch ein externer Drucksensor oder ein Abgasdruckmodell erforderlich.
Dies ist in vielen Fällen aufgrund es nicht genau bekannten
Massenflusses und der Geometrie jedoch mit großen Fehlern behaftet.
Der Fehler des Gesamtdrucks geht multipliziert mit dem Faktor der
so genannten statischen Druckabhängigkeit in den Gesamtfehler
ein.
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Um
die statische Druckabhängigkeit des Ausgangssignals möglichst
gering zu halten, wäre somit grundsätzlich eine
Sonde mit einer großporigen oder offenen Strömungsbarriere
günstig, da derartige Strömungsbarrieren eine
geringe statische Druckabhängigkeit bei gleichzeitig kurzer
Ansprechzeit gewährleisten. Neben statischen Abhängigkeiten sind
jedoch grundsätzlich auch dynamische Abhängigkeiten
zu berücksichtigen, also die Abhängigkeit des
Sensorsignals von höherfrequenten Druckschwankungen. Ebenfalls
zu diesen dynamischen Effekten gehört die so genannte Mittelwertverschiebung.
Die Mittelwertsverschiebung ist eine mit der Frequenz zunehmende
(mathematisch positive) Drehung der Pumpstrom-Sauerstoffpartialdruck-Kennlinie
aufgrund eines Eintransports von Abgas in der positiven Druckhalbwelle
und eines Austransports von Gas mit λ = 1 aus dem Hohlraum
in der negativen Druckhalbwelle. Während zur Senkung der
statischen Druckabhängigkeit grundsätzlich Strömungsbarrieren
mit größerem Porenradius zu bevorzugen wären,
um die Gasphasendiffusion in der Strömungsbarriere gegenüber
der Knudsen-Diffusion zu bevorzugen, wäre zur Senkung der
dynamischen Druckabhängigkeit und der Mittelwertverschiebung
grundsätzlich eine kleinporige Strömungsbarriere
wünschenswert, um den Anteil der druckabhängigen Knudsen-Diffusion
zu vermindern. Zudem sollte das Volumen des Elektrodenhohlraums
möglichst gering gehalten werden, um die dynamische Druckabhängigkeit
weiter zu reduzieren, wie beispielsweise in
DE 10 2004 023 004 A1 beschrieben
wird. In
DE 37 28 289
C1 wird eine Anordnung beschrieben, in der vor einer inneren
Pumpelektrode ein Kanalsystem vorgesehen ist, welches porös
gefüllte Diffusionskanäle für eine Knudsendiffusion
und hohle Diffusionskanäle für eine Gasphasendiffusion
aufweist. Hierdurch wird die Anlieferung des Messgases zur Pumpelektrode
derart gebremst, dass die Diffusion des Messgases zum geschwindigkeitsbestimmenden
Schritt wird. Durch diese Maßnahme werden insbesondere
dynamische Effekte verbessert, wobei jedoch nach wie vor ein Optimierungspotenzial
hinsichtlich der statischen Druckabhängigkeit besteht.
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Somit
besteht also insgesamt ein Zielkonflikt. Zur Senkung der statischen
Druckabhängigkeit des Ausgangssignals wäre eine
Sonde mit einer großporigen oder offenen Strömungsbarriere
geeignet, was jedoch wiederum eine zu große Empfindlichkeit
für dynamische Druckänderungen bewirken würde,
die wiederum den Aussteuerbereich durch eine Clippinggefahr reduzieren
würde. Unter einem Clipping ist dabei allgemein ein Abschneiden
von Signalen aufgrund eines nicht ausreichenden Aussteuerbereichs zu
verstehen, was beispielsweise zu einer Verzerrung der Kurvenformen
oder zu einer Mittelwertsverschiebung führen kann. Ebenso
ist die Mittelwertverschiebung durch Druckpulse zu vermeiden, da
sie aufgrund der Asymmetrie von Ein- und Ausstrom einen nicht herauszumittelnden
Fehler im Ausgangssignal erzeugt. Zudem erzeugt eine niedrige statische Druckabhängigkeit
eine höhere Temperaturabhängigkeit des Diffusionsgrenzstroms.
Die höhere Temperaturabhängigkeit wird zwar durch
die Temperaturregelung des Sensorelements in den meisten Fällen über
den Innenwiderstand der Nernstzelle zum größten
Teil kompensiert. Dies ist bei der Ermittlung der optimalen Diffusionsbarriere
jedoch, gewichtet mit dem Fehler der Temperatureinstellung durch
erwärmte Zuleitungen, zu berücksichtigen, wie
beispielsweise
DE
101 01 351 C2 oder
DE 101 00 599 B4 beschrieben wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Es
wird daher ein Sensorelement zur Bestimmung mindestens einer physikalischen
Größe eines Messgases in einem Messgasraum vorgeschlagen, welches
die Nachteile bekannter Sensorelemente zumindest weitgehend vermeidet.
Das Sensorelement kann insbesondere zur Bestimmung mindestens eines
Mengenanteils mindestens einer Gaskomponente in dem Gas, insbesondere
einem Abgas einer Brennkraftmaschine, eingesetzt werden, beispielsweise
zur Bestimmung eines Molenbruchs an Sauerstoff und/oder an Fettgasen
im Abgas. Grundsätzlich sind jedoch auch andere Einsatzgebiete möglich,
insbesondere Einsatzgebiete in der Gassensorik.
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Die
Erfindung beruht auf der Überlegung, dass sich der oben
beschriebene Zielkonflikt durch Kombination der bekannten Strömungsbarriere
mit einem entsprechenden Diffusionskanal umgehen lässt.
So kann die Strömungsbarriere mit einem vorgeschalteten
und/oder einem anschließenden Diffusionskanal derart kombiniert
werden, dass sich eine niedrige statische Druckabhängigkeit
bei gleichzeitig niedriger dynamischer Druckabhängigkeit
ergibt.
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Dies
kann insbesondere dadurch erfolgen, dass die Strömungsbarriere
durch einen großen Querschnitt und eine kurze Länge
derart gestaltet wird, dass ihr Grenzstrom im Verhältnis
zum Grenzstrom und Volumen des Diffusionskanals, welcher vorzugsweise
einen möglichst kleinen Querschnitt und eine große
Länge aufweist, sehr groß ist. Dabei stellt das
Verhältnis der Diffusionsgrenzströme der beiden
Anteile, also des Anteils der Strömungsbarriere und des
Anteils des Diffusionskanals, also der Anteile mit hoher und niedriger
statischer Druckabhängigkeit, die gesamte statische Druckabhängigkeit ein,
da beide Diffusionswiderstände wie in Reihe geschaltet
wirken.
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Das
Volumen V des Diffusionskanals bzw. des Abschnitts des Diffusionskanals,
welcher in Strömungsrichtung hinter der Strömungsbarriere
angeordnet ist, wird im Niederfreqzenzfall bei Druckschwankungen
um Δp mit einer Frequenz f mit einer Rate Δn/Δt
= Δp·V/(kB·T)·f(mol/s)
gefüllt, wobei kB die Boltzmann-Konstante
und T die Temperatur darstellt. Dabei wirkt sich dieser Einstrom
als relative Änderung des Gesamtsignals des statischen
Diffusionsgrenzstroms der Gesamtbarriere Δn/Δt
= D·ΔpO2 aus. Dabei bezeichnet
D den gesamten Diffusionskoeffizienten. Aus diesem Grund ist ein
möglichst geringes Volumen für den Diffusionskanal,
insbesondere den Abschnitt des Diffusionskanals in Strömungsrichtung hinter
der Strömungsbarriere, von Vorteil.
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Aufgrund
dieser Überlegungen wird vorgeschlagen, das Sensorelement
mit mindestens einer ersten Elektrode, mindestens einer zweiten
Elektrode und mindestens einem die erste Elektrode und die zweite
Elektrode verbindenden Festelektrolyten aufzubauen, wobei die zweite
Elektrode in mindestens einem Elektrodenhohlraum angeordnet ist.
Die erste Elektrode, der Festelektrolyt und die zweite Elektrode können
somit gemeinsam eine Pumpzelle bilden und auch als solche Pumpzelle
betrieben werden. Beispielsweise kann das Sensorelement als Breitband-Lambdasonde
nach dem Doppelzellenprinzip ausgestaltet sein, wie beispielsweise
aus dem eingangs beschriebenen Stand der Technik bekannt.
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Das
Sensorelement weist mindestens einen Gaszutrittsweg auf, über
welchen der Elektrodenhohlraum mit Gas aus dem Messgasraum beaufschlagbar
ist. Dieser Gaszutrittsweg umfasst alle Elemente, Hohlräume,
Kanäle, poröse Elemente und ähnliches,
welche das Gas aus dem Messgasraum durchdringen bzw. überwinden
muss, um in den Elektrodenhohlraum zu gelangen. Beispielsweise kann dieser
Gaszutrittsweg ein Gaszutrittsloch, eine Strömungsbarriere
oder zusätzliche Diffusionskanäle umfassen und
beschreibt allgemein einen Hohlraum oder einen Weg, durch welchen
das Gas auf seinem Weg zum Elektrodenhohlraum hindurchtreten kann und
muss, um in den Elektrodenhohlraum zu gelangen und innerhalb dessen
keine Elektroden angeordnet sind. Als Elektrodenhohlraum wird dabei
jeglicher Hohlraum bezeichnet, innerhalb dessen die zweite Elektrode
und/oder Elemente dieser zweiten Elektrode, beispielsweise Teilelektroden
dieser zweiten Elektrode, angeordnet sind, wobei die laterale Erstreckung
der zweiten Elektrode und/oder der Bestandteile der zweiten Elektrode
den Elektrodenhohlraum definitionsgemäß begrenzt.
Der Gaszutrittsweg kann auch nahtlos in diesen Elektrodenhohlraum übergehen,
wobei die Grenze zwischen Gaszutrittsweg und Elektrodenhohlraum
an der Stelle anzusetzen ist, an welcher die räumliche
Ausdehnung der zweiten Elektrode beginnt.
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Erfindungsgemäß wird
vorgeschlagen, den Gaszutrittsweg in mehrere Abschnitte zu unterteilen. So
weist dieser Gaszutrittsweg mindestens einen ersten Abschnitt und
mindestens einen zweiten Abschnitt auf. In dem ersten Abschnitt
ist mindestens eine Strömungsbarriere angeordnet. Somit
kann dieser erste Abschnitt beispielsweise den herkömmlichen
Strömungsbarrieren in Breitband-Lambdasonden entsprechen.
Unter einer Strömungsbarriere ist dabei ein poröses
Element zu verstehen, welches einen Anteil von nicht mehr als 50%
offener Porosität aufweist, vorzugsweise von nicht mehr
als 35% oder sogar nicht mehr als 30%. Dabei kann der erste Abschnitt
vorzugsweise vollständig durch diese Strömungsbarriere
ausgefüllt sein, oder die Strömungsbarriere kann
auch mehrteilig ausgebildet sein.
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Der
zweite Abschnitt weist vorzugsweise mindestens einen Diffusionskanal
auf und/oder wird durch diesen mindestens einen Diffusionskanal
gebildet. Unter einem Diffusionskanal ist dabei ein Element zu verstehen,
welches einen vergleichsweise geringen Strömungswiderstand
gegenüber der Strömungsbarriere aufweist, vorzugsweise
einen Strömungswiderstand, welcher um mindestens einen Faktor
2, vorzugsweise einen Faktor 10 oder mehr, geringer ist als der
Strömungswiderstand der Strömungsbarriere. Vorzugsweise
handelt es sich dabei um einen offenen Kanal. Auch eine vollständige
oder teilweise Füllung des Diffusionskanals mit einem porösen,
grobporigen Material, beispielsweise einem Aluminiumoxid, ist jedoch
grundsätzlich möglich, wobei dieses poröse
Material vorzugsweise eine offene Porosität von mehr als
50%, insbesondere von mindestens 60%, aufweist.
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Der
erste Abschnitt und der zweite Abschnitt sind dabei in Reihe hintereinander
geschaltet. Das Einströmen des Gases aus dem Messgasraum
in den Elektrodenhohlraum definiert dabei in dem Gaszutrittsweg
lokal jeweils eine Strömungsrichtung, also eine Richtung,
in welcher das Gas hauptsächlich an dem jeweiligen Ort
strömen würde. Entlang dieser Strömungsrichtung
kann die Abfolge des ersten Abschnitts und des zweiten Abschnitts
grundsätzlich beliebig ausgestaltet sein, so dass beispielsweise
zunächst der erste Abschnitt, gefolgt von dem zweiten Abschnitt,
angeordnet sein kann. Auch eine umgekehrte Anordnung ist jedoch
grundsätzlich möglich. Weiterhin ist auch eine
Unterteilung der Abschnitte in Teilabschnitte möglich,
so dass beispielsweise ein erster Teilabschnitt des zweiten Abschnitts
vor dem ersten Abschnitt angeordnet sein kann, und ein zweiter Teilabschnitt
des zweiten Abschnitts nach dem ersten Abschnitt. So kann beispielsweise
der Gaszutrittsweg zunächst das Gaszutrittsloch umfassen, welches
einen möglichen Schichtaufbau des Sensorelements durchdringt,
um das Gas aus dem Messgasraum in eine tiefere Schichtebene zu führen,
wobei dieses Gaszutrittsloch einen ersten Teilabschnitt des zweiten
Abschnitts bildet. An diesen ersten Teilabschnitt kann sich die
Strömungsbarriere anschließen, als erster Abschnitt
des Gaszutrittswegs, gefolgt von einem Diffusionskanal mit engem
Querschnitt, als zweiter Teilabschnitt des zweiten Abschnitts.
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Erfindungsgemäß sind
dabei der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt jeweils mit einem ersten
bzw. zweiten Diffusionswiderstand versehen. Diese Diffusionswiderstände
lassen sich durch eine entsprechende Dimensionierung der Querschnitte der
einzelnen Abschnitte sowie durch eine entsprechende Dimensionierung
der Porosität der Strömungsbarriere vergleichsweise
leicht beeinflussen. Beispiele für eine derartige Einstellung
der Diffusionswiderstände der Abschnitte werden unten näher ausgeführt.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass der erste
Diffusionswiderstand des ersten Abschnitts einen Anteil zwischen
20% und 80% am Gesamtdiffusionswiderstand des Gaszutrittswegs ausmacht,
vorzugsweise einen Anteil zwischen 40% und 60% und besonders bevorzugt
einen Anteil von ca. 50%.
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Auf
diese Weise lässt sich der oben beschriebene Zielkonflikt
einer möglichst geringen statischen Druckabhängigkeit
und einer möglichst niedrigen dynamischen Druckabhängigkeit
durch die beschriebene Reihenschaltung der Diffusionswiderstände
der Abschnitte optimieren. Das erfindungsgemäße
Sensorelement weist damit eine geringe statische Druckabhängigkeit
und eine geringe Ansprechzeit auf, bei gleichzeitig geringer dynamischer
Druckabhängigkeit und geringer Mittelwertverschiebung.
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Unter
einem Diffusionswiderstand ist dabei das Ansprechverhalten des Pumpstroms
Ip durch die Pumpzelle des Sensorelements,
welche aus der ersten Elektrode, der zweiten Elektrode und dem Festelektrolyten
gebildet wird, auf eine Partialdruckänderung der nachzuweisenden
Gaskomponente, beispielsweise eine Sauerstoff-Partialdruckänderung, zu
verstehen: Rdiff = Δppartial/ΔIp. Unter einem Strömungswiderstand
ist hingegen das Ansprechverhalten des Pumpstroms Ip auf
eine Gesamtdruckänderung Δpgesamt des
Gases zu verstehen: Rström = Δpgesamt/ΔIp.
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Die
poröse Strömungsbarriere weist vorzugsweise eine
offene Porosität von maximal 30% auf. Beispielsweise lässt
sich diese poröse Strömungsbarriere durch Verwendung
poröser keramischer Materialien herstellen, beispielsweise
durch Verwendung von Aluminiumoxiden und/oder Zirkonoxiden.
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Wie
oben dargestellt, ist es günstig, den Diffusionskanal zumindest
teilweise mit einem möglichst kleinen Volumen auszugestalten.
Insbesondere sollte der Teilabschnitt des Diffusionskanals bzw.
des zweiten Abschnitts, welcher in Strömungsrichtung hinter
der Strömungsbarriere angeordnet ist, möglichst
kleinvolumig ausgestaltet sein. Dies kann insbesondere über
eine Anpassung des Querschnitts des Diffusionskanals erfolgen, welcher
technisch so klein wie reproduzierbar herstellbar ausgestaltet sein sollte.
So kann beispielsweise der Diffusionskanal zumindest teilweise,
insbesondere in einem hinter der Strömungsbarriere angeordneten
Teilabschnitt, mit einem Querschnitt senkrecht zur Strömungsrichtung
zwischen 250 μm2 und 40000 μm2 ausgestaltet sein, vorzugsweise von ca.
2000 μm. Dies kann beispielsweise dadurch erzielt werden,
dass der Diffusionskanal zumindest in einem Teilabschnitt, insbesondere
in einem in Strömungsrichtung hinter der Strömungsbarriere
angeordneten Teilabschnitt, eine Breite senkrecht zur Strömungsrichtung
von 0,05 mm bis 1 mm, vorzugsweise 0,2 mm, und eine Höhe
senkrecht zur Strömungsrichtung von 5 μm bis 40 μ,
vorzugsweise von 10 μm, aufweist. Dabei kann als Höhe eine
Dimension senkrecht zu den Schichtebenen eines Schichtaufbaus des
Sensorelements angesehen werden, als Breite eine Dimension parallel
zu diesen Schichtebenen.
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Zur
Erzeugung des oben beschriebenen Verhältnisses zwischen
dem ersten Diffusionswiderstand und dem Gesamtdiffusionswiderstand
bestehen verschiedene Möglichkeiten. So kann zum einen ein
geringer Diffusionswiderstand in Form eines grobporigen porösen
Materials der Strömungsbarriere mit einem kurzen Diffusionskanal
mit engem Querschnitt kombiniert werden, da ein grobporiges Material
bereits eine geringe statische Druckabhängigkeit aufweist,
die, zur Kompensation der dynamischen Druckabhängigkeit,
lediglich mit einem kurzen Diffusionskanal kombiniert werden muss,
um das beschriebene Verhältnis von ca. 50% zu erreichen.
Unter einem grobporigen oder offenporigen Material ist dabei ein
Material mit einer Porengröße von mindestens 1,0 μm,
insbesondere von mindestens 1,5 μm, zu verstehen. In diesem
Fall kann der Diffusionskanal beispielsweise eine Länge
zwischen 0,5 und 1,5 mm, insbesondere von 1 mm, aufweisen, also
vergleichsweise kurz ausgestaltet sein.
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Alternativ
kann auch ein feinporiges Material für die poröse
Strömungsbarriere verwendet werden, also ein Material mit
einer Porengröße von beispielsweise 0,2 μm
bis 1,0 μm, insbesondere von weniger als 0,5 μm,
in Kombination mit einem langen Diffusionskanal, also einem Diffusionskanal,
welcher die Länge der porösen Strömungsbarriere
entlang der Strömungsrichtung des Gases übersteigt.
Insbesondere kann diese Länge zwischen 1 mm und 3 mm liegen,
vorzugsweise bei ca. 1,5 mm. Bei einem kleineren Querschnitt können
jedoch auch kürzere Längen verwendet werden.
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Weiterhin
ist es bevorzugt, wenn die poröse Strömungsbarriere
zumindest teilweise einen größeren Querschnitt
senkrecht zur Strömungsrichtung des Gases aufweist als
der Diffusionskanal, insbesondere als ein Teilabschnitt des Diffusionskanals, welcher
sich in Strömungsrichtung an dieses Strömungsbarriere
anschließt. Insbesondere kann die Strömungsbarriere
einen Querschnitt von 40000 μm2 bis
500000 μm2 aufweisen, insbesondere
einen Querschnitt von 180000 μm. Zu diesem Zweck kann die
Strömungsbarriere beispielsweise eine Breite von 1 mm bis
5 mm, insbesondere von 3 mm, und eine Höhe von 40 μm
bis 100 μm, vorzugsweise von 60 μm, aufweisen.
Diese Vergrößerung des Querschnitts der Strömungsbarriere
relativ zum Diffusionskanal kann einen Volumenunterschied zwischen der
Strömungsbarriere und dem Diffusionskanal bewirken, welcher
sich wiederum positiv auf die Verringerung der Druckabhängigkeiten
auswirken kann.
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Alternativ
oder zusätzlich zu einem einheitlich größeren
Querschnitt der Strömungsbarriere im Vergleich zum Querschnitt
des Diffusionskanals kann der Querschnitt der Strömungsbarriere
auch variierend ausgestaltet werden. So kann die poröse
Strömungsbarriere beispielsweise zumindest in zwei Teilabschnitten
einen unterschiedlichen Querschnitt senkrecht zur Strömungsrichtung
des Gases aufweisen. Insbesondere kann in einem stromabwärts
gelegenen Teilabschnitt der Querschnitt enger sein als in einem
stromaufwärts gelegenen Teilabschnitt der Strömungsbarriere,
so dass in Strömungsrichtung des Gases der Querschnitt
der Strömungsbarriere kontinuierlich oder stufenweise abnehmen
kann. Besonders bevorzugt ist es, wenn der Querschnitt in Strömungsrichtung
des Gases allgemein abnimmt, insbesondere zumindest teilweise kontinuierlich.
Auf diese Weise kann zum Beispiel am Übergang zwischen
dem ersten Abschnitt und dem zweiten Abschnitt, beispielsweise am Übergang
zwischen der Strömungsbarriere und dem Diffusionskanal,
der Querschnitt der Strömungsbarriere im Wesentlichen dem
Querschnitt des Diffusionskanals entsprechen.
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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.
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Es
zeigen:
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1 ein
erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Sensorelements in ausschnittsweiser Schnittdarstellung, wobei eine
offenporige Strömungsbarriere in Kombination mit einem
kurzen, niedrigen Diffusionskanal eingesetzt wird;
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2 ein
zweites Ausführungsbeispiel des Sensorelements mit einer
feinporigen Strömungsbarriere und einem langen, niedrigen
Diffusionskanal; und
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3 ein
drittes Ausführungsbeispiel mit einer Diffusionsbarriere
mit kontinuierlich in Strömungsrichtung kleiner werdendem
Querschnitt.
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In 1 ist
ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Sensorelements 110 dargestellt. Die Darstellung zeigt einen
Ausschnitt des Sensorelements 110 in einer Schnittdarstellung senkrecht
zu einem Schichtaufbau des Sensorelements 110.
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Das
Sensorelement 110 ist eingerichtet, um eine Sauerstoffkonzentration
in einem Gas in einem Messgasraum 112 zu messen. Zu diesem
Zweck verfügt das Sensorelement 110 über
eine erste Elektrode 114, welche dem Messgasraum 112 unmittelbar oder über
eine gasdurchlässige Schutzschicht ausgesetzt ist, über
eine Festelektrolyten 116 und über eine zweite
Elektrode 118. Diese zweite Elektrode 118 ist
in einer tiefer gelegenen Schichtebene des Sensorelements 110 angeordnet
und ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel optional
in zwei Teilelektroden unterteilt.
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Die
zweite Elektrode 118 ist in einem Elektrodenhohlraum 120 angeordnet,
welcher von dem Messgasraum 112 durch mindestens eine Schicht des
Schichtaufbaus des Sensorelements 110 getrennt ist, beispielsweise
die Festelektrolytschicht 116. Der Elektrodenhohlraum 120 ist über
einen Gaszutrittsweg 122 mit Gas aus dem Messgasraum 112 beaufschlagbar.
Dieser Gaszutrittsweg 122 ist in 1 lediglich
ansatzweise gezeigt und kann beispielsweise auch ein senkrecht zu
dem Schichtaufbau des Sensorelements 110 verlaufendes Gaszutrittsloch,
beispielsweise links von dem in 1 gezeigten
Abschnitt, umfassen. Für mögliche Gesamtaufbauten
des Sensorelements 110 kann auf die eingangs genannten
Druckschriften des Standes der Technik verwiesen werden, insbesondere
die Druckschriften zu Breitband-Lambdasonden nach dem Doppelzellerprinzip.
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Der
Gaszutrittsweg 122 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel
in zwei Abschnitte unterteilt. Ein erster Abschnitt 124 mit
einer Länge L1 umfasst dabei eine
Strömungsbarriere 126. Diese Strömungsbarriere 126 kann
beispielsweise mittels eines porösen keramischen Materials
hergestellt sein und weist senkrecht zu der Erstreckung um die Länge
L1 in Strömungsrichtung des Gases
eine Höhe H1 sowie eine Breite
(senkrecht zur Zeichenebene in 1) B1 auf, also insgesamt einen Querschnitt A1 = H1 × B1.
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Neben
diesem ersten Abschnitt 124 umfasst der Gaszutrittsweg 122 weiterhin
einen zweiten Abschnitt 130. Dieser zweite Abschnitt 130 ist
entweder als offener Kanal ausgebildet oder ist mit einem porösen,
jedoch weitgehend gasdurchlässigen Material gefüllt,
welches der Strömung des Gases einen vergleichsweise geringen
Strömungswiderstand entgegensetzt. Beispielsweise kann
es sich bei diesem porösen Material um ein Material mit
einer offenen Porosität von mehr als 60% handeln, beispielsweise
ein poröses Aluminiumoxid, im Gegensatz zu der Strömungsbarriere 126,
welche vorzugsweise eine offene Porosität von ca. 30% aufweist.
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Der
zweite Abschnitt 130 ist in dem in 1 dargestellten
Ausführungsbeispiel in einen ersten Teilabschnitt 132 und
in einen zweiten Teilabschnitt 134 unterteilt. Während
der erste Teilabschnitt 132 der Strömungsbarriere 126 in
Strömungsrichtung 128 des einströmenden
Gases vorgelagert ist, ist der zweite Teilabschnitt 134 in
dem dargestellten Ausführungsbeispiel der Strömungsbarriere 126 in
Strömungsrichtung 128 nachgelagert und zwischen
der Strömungsbarriere 126 und dem Elektrodenhohlraum 120 angeordnet.
Während der erste Teilabschnitt 132 mit einem
vergleichsweise großen Querschnitt ausgestattet ist, ist
dieser zweite Teilabschnitt 134, also der zwischen der
Strömungsbarriere 126 und dem Elektrodenhohlraum 120 angeordnete
Teilabschnitt, vorzugsweise mit möglichst kleinem Querschnitt
ausgestattet, um das zu füllende Volumen möglichst
klein zu halten. Dieser zweite Teilabschnitt 134 stellt
einen Diffusionskanal 136 dar. Wie oben dargestellt, lässt
sich das Verhältnis des Diffusionswiderstandes der Strömungsbarriere 126 zum
Gesamtdiffusionswiderstand des Gaszutrittswegs 122 insbesondere über
die Porosität der Strömungsbarriere 126 im
Verhältnis zur Länge und zum Querschnitt des Diffusionskanals 136 einstellen.
Der Diffusionskanal 136 weist in dem in 1 gezeigten
Beispiel eine Längserstreckung L2 in
Strömungsrichtung 128 sowie eine Höhe
H2 senkrecht zur Strömungsrichtung 128 und
eine Breite (in 1 nicht dargestellt, wiederum
senkrecht zur Zeichenebene) B2 auf. Das
Produkt aus Höhe und Breite bestimmt, wie auch bei der Strömungsbarriere 126,
den Querschnitt des Diffusionskanals 136.
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Bei
dem in 1 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel
ist, wie oben beschrieben, ein Konzept zur Erzielung eines Anteils
von ca. 50% des Diffusionswiderstands der Strömungsbarriere 126 am
Gesamtdiffusionswiderstand des Gaszutrittswegs 122 realisiert,
welches auf einer offenporigen Strömungsbarriere 126,
in Kombination mit einem kurzen Diffusionskanal 136 beruht.
Während im Stand der Technik die Strömungsbarriere 126 üblicherweise ähnlich dick
und ähnlich breit wie der sich anschließende Elektrodenhohlraum 120 hergestellt
wird, wird in dem dargestellten Ausführungsbeispiel die
Strömungsbarriere 126 breiter und höher
als der Diffusionskanal 136 und der Elektrodenhohlraum 120 hergestellt.
So sind Breiten B1 von 1 bis 5 mm bevorzugt,
insbesondere eine Breite von ca. 3 mm. Als Höhe H1 wird eine Höhe von 40 μm
bis 100 μm, insbesondere von ca. 50 bis 60 μm,
bevorzugt. Als Länge L1 der Strömungsbarriere 126 lassen
sich beispielsweise Längen zwischen 1 und 3 mm einsetzen,
beispielsweise Längen von 1,4 mm.
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Wie
oben beschrieben, wird die Strömungsbarriere 126 dabei
offenporig ausgestaltet. So kann diese beispielsweise eine Porengröße
von mindestens 1,0 μm, insbesondere mehr als 1,5 μm,
einsetzen. Aufgrund dieser Offenporigkeit weist diese Strömungsbarriere 126 eine
vergleichsweise geringe statische Druckabhängigkeit auf.
Der anschließende Diffusionskanal 136 kann daher
vergleichsweise kurz ausgestaltet sein. Bevorzugt sind hier Breiten
B2 von 0,05 bis 1 mm, vorzugsweise 0,2 m,
Höhen H2 zwischen 5 und 40 μm,
vorzugsweise 10 μm und Längen L2 im
Bereich von 0,5 bis 1,5 mm, insbesondere ca. 1 mm.
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Weitere
Elemente des Sensorelements 110 sind in 1 nicht
dargestellt. So sind insbesondere zusätzliche Elektroden,
wie beispielsweise eine Referenzelektrode, zusätzliche
Hohlräume, wie beispielsweise mindestens ein Referenzhohlraum und/oder
ein Referenzkanal, Heizelemente, Elektrodenzuleitungen oder ähnliches
in 1 nicht dargestellt. Für diese Elemente
kann beispielsweise auf den eingangs beschriebenen Stand der Technik
verwiesen werden, beispielsweise die einschlägigen Veröffentlichungen
zu Breitband-Lambdasonden nach dem Doppelzellenprinzip.
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In 2 ist
ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Sensorelements 110 dargestellt. Der Aufbau entspricht im
Wesentlichen dem Ausführungsbeispiel gemäß 1,
wobei die erste Elektrode 114 sowie der Festelektrolyt 116 in 2 nicht
dargestellt ist. Diese sind analog zu 1 zu ergänzen.
Dargestellt ist lediglich der Gaszutrittsweg 122 sowie
der Elektrodenhohlraum 120 und die zweite Elektrode 118.
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In
dem in 2 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel
ist der zweite Abschnitt 130 des Gaszutrittswegs 122 wiederum
in einen ersten Teilabschnitt 132 und einen zweiten Teilabschnitt 134 unterteilt.
In diesem Ausführungsbeispiel wird jedoch eine feinporige
Strömungsbarriere 126 eingesetzt, beispielsweise
eine Strömungsbarriere 126 mit einer mittleren
Porengröße von maximal 1,0 μm. Beispielsweise
kann die Porosität, wie auch in dem in 1 dargestellten
ersten Ausführungsbeispiel, mittels eines Zusatzes geeigneter
Porenbildner zu den Ausgangsmaterialien der Strömungsbarriere 126 eingestellt
werden.
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Da
derartig feinporige Strömungsbarrieren 126 eine
vergleichsweise große statische Druckabhängigkeit
aufweisen, sollte zur Herstellung des beschriebenen erfindungsgemäßen
Verhältnisses des Diffusionswiderstands des ersten Abschnitts 124 zum
Gesamtdiffusionswiderstand des Gaszutrittswegs 122 ein
langer Diffusionskanal 136 zwischen der Strömungsbarriere 126 und
dem Elektrodenhohlraum 120 eingesetzt werden. Bei einer
Porengröße von ca. 0,2 bis 1,0 μm, insbesondere
0,5 μm, für die Strömungsbarriere 126 haben
sich beispielsweise Diffusionskanäle 136 mit einer
Länge L2 (für die Bezeichnungen
siehe 1) zwischen 1 und 3 mm, insbesondere 1,5 mm, als
geeignet erwiesen. Für die Breiten und die Höhen
der Strömungsbarriere 126 bzw. des Diffusionskanals 136 kann
auf 1 verwiesen werden. Die dort beschriebenen Querschnitte können
analog auch in dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 eingesetzt
werden.
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In 3 ist
ein drittes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Sensorelements 110 dargestellt, in ähnlicher Darstellung
wie in 2. Wiederum kann für weitere Detail des
Sensorelements auf die 1 sowie die dazugehörige
Beschreibung verwiesen werden.
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In
dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist
ein Beispiel einer Strömungsbarriere 126 realisiert,
welche einen in Strömungsrichtung 128 variierenden
Querschnitt aufweist. Beispielsweise kann die Strömungsbarriere 126 analog
zu dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel
aufgebaut sein, also wiederum aus dem dort beschriebenen feinporigen
Material zusammengesetzt sein. An die Strömungsbarriere 126 schließt
sich wiederum ein langer Diffusionskanal 136 mit beispielsweise
den in 1 beschriebenen Dimensionen hinsichtlich des Querschnitts
und der Länge an.
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Im
Gegensatz zu dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel
weist die Strömungsbarriere 126 jedoch in dem
dargestellten Ausführungsbeispiel einen kontinuierlich
kleiner werdenden Querschnitt auf. So wird die Strömungsbarriere 126 von
dem ersten Teilabschnitt 132 ausgehend in Strömungsrichtung 128 hin
zu dem Diffusionskanal 136 kontinuierlich verkleinert,
so dass diese insgesamt im Vergleich zu dem Ausführungsbeispiel
gemäß 2 ein kleineres Volumen darstellt.
Anstelle des gezeigten Ausführungsbeispiels mit einer kontinuierlichen
Verkleinerung des Querschnitts der Strömungsbarriere 126 sind
jedoch auch Ausführungsbeispiele denkbar, welche beispielsweise
einen diskontinuierlichen Verlauf des Querschnitts aufweisen, beispielsweise
einen stufenförmigen Verlauf des Querschnitts.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102004023004
A1 [0006]
- - DE 3728289 C1 [0006]
- - DE 10101351 C2 [0007]
- - DE 10100599 B4 [0007]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - Robert Bosch
GmbH: Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Ausgabe, Juni 2001, S. 116–117 [0003]