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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-Gasgemisch-Zusammensetzungen zu untersuchen. Insbesondere lassen sich hierdurch Anteile bestimmter Gaskomponenten des Gasgemischs ermitteln, beispielsweise ein Prozentsatz oder ein Partialdruck an Sauerstoff in einem Abgas. Insbesondere werden Sensorelemente dieser Art unter der Bezeichnung „Lambdasonde” eingesetzt und spielen eine wesentliche Rolle bei der Reduzierung von Schadstoffen in Abgasen, sowohl in Ottomotoren als auch in der Dieseltechnologie.
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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 theoretische 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 Lambda < 1 auf, wohingegen „magere” Gasgemische, d. h. Gasgemische mit einem Kraftstoffunterschuss, eine Luftzahl Lambda > 1 aufweisen. Neben der Kraftfahrzeugtechnik werden derartige und ähnliche Sensorelemente auch in anderen Bereichen der Technik, insbesondere der Verbrennungstechnik, eingesetzt. Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche verschiedene Ausführungsformen von Sensorelementen bekannt und werden beispielsweise in Robert Bosch GmbH: Sensoren im Kraftfahrzeug, 2. Ausgabe, April 2007, Seite 154–159 beschrieben. Auf die dort beschriebenen Ausführungsbeispiele kann exemplarisch Bezug genommen werden. Beispielsweise existieren so genannte „Sprungsonden”, deren Messprinzip auf der Messung einer elektrochemischen Potentialdifferenz zwischen einer einem Referenzgas ausgesetzten Referenzelektrode und einer dem zu messenden Gasgemisch ausgesetzten Messelektrode beruht. Daneben existieren so genannte „Pumpzellen”, bei denen eine elektrische „Pumpspannung” an zwei über den Festelektrolyten verbundene Elektroden angelegt wird, wobei der „Pumpstrom” durch die Pumpzelle gemessen wird. Auch kombinierte Sensorprinzipien aus Sprungzellen und Pumpzellen lassen sich in so genannten „Mehrzellern” einsetzen. Pumpzellen und Mehrzeller kommen insbesondere als so genannte Breitband-Lambdasonden zum Einsatz, um den Lambda-Wert eines Gasgemischs über einen größeren Bereich hinweg zu messen.
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Nachteilig an vielen bekannten Breitband-Sensorelementen, insbesondere Sensorelementen, bei welchen ein Pumpstrom gegenüber einem Referenzluftkanal gemessen wird, ist jedoch in vielen Fällen eine mangelnde Auflösung im Bereich um λ = 1. Breitband-Lambdasonden werden insbesondere im Grenzstrombetrieb eingesetzt, bei welchem praktisch jeglicher freier Sauerstoff unmittelbar in den Festelektrolyten eingebaut und zur Gegenelektrode gepumpt wird. Bei diesem Konzept tritt jedoch der Fall auf, dass in der Nähe von λ = 1 im mageren Abgas aufgrund der geringen Sauerstoffkonzentration ein sehr geringer Grenzstrom gemessen wird, welcher in vielen Fällen durch die verwendete Elektronik nicht ausreichend aufgelöst werden kann. Die Genauigkeit der Sensorelemente in der Nähe von λ = 1 ist daher in vielen Fällen nicht optimal.
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Offenbarung der Erfindung
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Es wird daher eine Sensoranordnung vorgeschlagen, welche die oben beschriebene Problematik zumindest weitgehend löst. Die Sensoranordnung dient der Bestimmung mindestens eines Parameters eines Gases in einem Messgasraum, insbesondere eines physikalischen und/oder chemischen Parameters, welcher mittels der oben beschriebenen Effekte der elektrolytischen Eigenschaften bestimmter Festkörper messbar ist. Ohne Beschränkung weiterer möglicher Parameter und/oder Anwendungen wird die Erfindung im Folgenden unter Bezugnahme auf die Bestimmung eines Anteils mindestens einer Gaskomponente, also beispielsweise eines Prozentsatzes und/oder eines Partialdrucks der Gaskomponente, in dem Gas beschrieben. Insbesondere kann es sich bei der Gaskomponente um Sauerstoff handeln. Als Einsatzzweck kommen insbesondere Lambdasonden in Betracht, wobei jedoch auch andere Einsatzgebiete möglich sind.
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Die Sensoranordnung umfasst mindestens ein Sensorelement mit mindestens einer Pumpzelle. Die Pumpzelle umfasst ihrerseits mindestens eine erste Elektrode, mindestens eine zweite Elektrode und mindestens einen die erste Elektrode und die zweite Elektrode verbindenden Festelektrolyten. Beispielsweise kann der Festelektrolyt Yttrium-stabilisiertes Zirkondioxid (YSZ) umfassen. Alternativ oder zusätzlich sind jedoch auch andere Arten von Festelektrolyten möglich. Die mindestens eine Erstelektrode und/oder die mindestens eine zweite Elektrode können beispielsweise Metallelektroden umfassen, beispielsweise Metall-Keramik-Elektroden (Cermets), beispielsweise Platin-Cermets, beispielsweise ebenfalls unter Verwendung von Zirkondioxid als keramischem Material.
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Dabei ist die erste Elektrode über mindestens eine erste Verbindung mit einem Messgasraum verbunden und über diese Verbindung mit Gas aus dem Messgasraum beaufschlagbar. Die zweite Elektrode ist ihrerseits über mindestens eine zweite Verbindung, welche mit der ersten Verbindung ganz oder teilweise identisch sein kann, oder auch ganz oder teilweise von dieser verschieden sein kann, mit dem Messgasraum verbunden und mit Gas aus dem Messgasraum beaufschlagbar.
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Wie oben dargestellt, werden Pumpzellen in der Regel im Grenzstrombetrieb betrieben. Dies bedeutet, dass nahezu alle an einer einbauenden Elektrode eintreffenden nachzuweisenden Gasmoleküle zur anderen, ausbauenden Elektrode transportiert und dort wieder als freie Moleküle abgegeben werden. Insbesondere kann die Pumpspannung zwischen den beiden Elektroden derart gewählt werden, dass dieser Grenzstrombetrieb stets erreicht wird. Beispielsweise kann die Pumpspannung derart gewählt werden, dass der an der einbauenden Elektrode ankommende Sauerstoff vollständig zur Gegenelektrode gepumpt wird. In diesem Betrieb ist der Pumpstrom zumindest näherungsweise proportional zum Partialdruck des Sauerstoffs im Abgasgemisch, so dass derartige Sensorelemente häufig auch als Proportionalsensoren bezeichnet werden.
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Das vorgeschlagene Sensorelement basiert auf der Erkenntnis, dass eine gezielt herbeigeführte Asymmetrie in der Pumpzelle eingesetzt werden kann, um das Signal in der Nähe von λ = 1, beispielsweise im Bereich λ = 1 ± 0,3, zu verbessern. Demzufolge wird vorgeschlagen, die erste Verbindung und die zweite Verbindung derart auszugestalten, dass die Pumpzelle in unterschiedlichen Pumprichtungen unterschiedliche Grenzströme aufweist. Beispielsweise kann in einer ersten Pumprichtung ein niedriger Grenzstrom auftreten und in der umgekehrten Pumprichtung ein hoher Grenzstrom.
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Ein Gedanke der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass sich das Messsignal in der Nähe von λ = 1 durch Erhöhung des Messstroms, d. h. durch eine gezielte Erhöhung des Grenzstroms, verbessern lässt. Ein höherer Grenzstrom kann besser aufgelöst werden, wodurch die Genauigkeit entscheidend verbessert werden kann.
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Erfindungsgemäß erfolgt die Erhöhung des Grenzstroms jedoch nicht pauschal und für alle Messbereiche. Eine derartige pauschale Erhöhung des Grenzstroms in der Nähe von λ = 1 könnte beispielsweise durch Verringerung eines Diffusionswiderstandes in einer oder beiden der Verbindungen erfolgen. Um jedoch auch bei hohen Konzentrationen der nachzuweisenden Gaskomponente, beispielsweise Sauerstoffkonzentrationen, insbesondere bis 20%, überhaupt noch Grenzströme messen zu können, kann der Grenzstrom jedoch nicht beliebig erhöht werden, d. h. der Diffusionswiderstand nicht beliebig verkleinert werden. Weitere Nachteile aus zu großen Grenzströmen sind, je nach Designauslegung, auch eine erhöhte Vergiftungs- und Versottungsanfälligkeit und/oder ein negativer Einfluss auf statische und/oder dynamische Größen, wie beispielsweise die Druckabhängigkeit und/oder die Mittelwertverschiebung.
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Erfindungsgemäß wird daher keine pauschale Erhöhung der Grenzströme und/oder pauschale Erniedrigung der Diffusionswiderstände vorgeschlagen, sondern eine differenzierte Betrachtung in unterschiedlichen Messbereichen. Dementsprechend wird vorgeschlagen, die Sensoranordnung mit mindestens einer Steuerung zu versehen. Beispielsweise kann diese Steuerung eine elektronische Ansteuer- und Auswerteschaltung umfassen, welche zentral oder dezentral ausgestaltet sein kann und welche ganz oder teilweise in dem Sensorelement integriert sein kann oder welche auch ganz oder teilweise extern von dem Sensorelement angeordnet und mit diesem über mindestens eine Schnittstelle verbunden sein kann. Die Sensoranordnung kann beispielsweise mindestens einen Mikrocontroller umfassen und/oder eine andere Datenverarbeitungsvorrichtung und/oder andere Arten elektronischer Bauelemente.
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Die Steuerung ist eingerichtet, um die Pumpzelle in mindestens zwei unterschiedlichen Messbereichen des nachzuweisenden Parameters in unterschiedlichen Pumprichtungen zu betreiben. Beispielsweise kann, wie oben dargestellt, der Parameter ein Lambda-Wert sein. Die erste Verbindung und die zweite Verbindung können derart eingerichtet sein, dass in einer ersten Pumprichtung ein höherer Grenzstrom auftritt als in einer zweiten Pumprichtung. Die Steuerung kann dann derart eingerichtet sein, dass diese nahe bei λ = 1, also bei kleinen Sauerstoff-Konzentrationen, die Pumprichtung wählt, in welcher der höhere Grenzstrom auftritt, also im vorliegenden Fall die erste Pumprichtung. In anderen Luftzahlbereichen kann dann die zweite Pumprichtung gewählt werden, um auf diese Weise gezielt den Grenzstrom zu erniedrigen. Beispielsweise kann die erste Pumprichtung bei Luftzahlen in einem vorgegebenen Intervall um λ = 1 gewählt werden. Dieses Intervall kann beispielsweise eine obere Grenze zwischen λ = 1,5 und λ = 1,1 insbesondere bei λ = 1,3 aufweisen. Beispielsweise kann innerhalb des Intervalls von λ = 1 bis Lambda < 1,3 die erste Pumprichtung gewählt werden, wohingegen außerhalb dieses Intervalls die zweite Pumprichtung gewählt wird. Auch eine andere Ausgestaltung der Intervalle ist möglich, beispielsweise eine symmetrische Ausgestaltung des Intervalls, beispielsweise derart, dass die Luftzahl um weniger als 0,3 vom λ = 1 abweichen soll.
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Zwar muss, um zu erkennen, in welchem Luftzahlbereich die aktuelle Luftzahl liegt, zunächst eine Lambda-Messung durchgeführt werden. Diese kann jedoch mit einer ausreichenden Präzision erfolgen, um festzustellen, ob die erste oder die zweite Pumprichtung gewählt werden soll. Wird beispielsweise unter Verwendung der zweiten Pumprichtung mit dem niedrigen Grenzstrom festgestellt, dass die Luftzahl zumindest näherungsweise innerhalb des vorgegebenen Intervalls um λ = 1 liegt, so kann dann auf die erste Pumprichtung umgeschaltet werden, um die Messung mit höherer Präzision zu wiederholen.
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Die Grenzströme können sich insbesondere um mindestens einen Faktor 1,5, insbesondere mindestens einen Faktor 2 und besonders bevorzugt mindestens einen Faktor 3 unterscheiden. Beispielsweise können die erste Verbindung und/oder die zweite Verbindung unterschiedliche Diffusionswiderstände und/oder unterschiedliche Strömungswiderstände aufweisen. Auf diese Weise lassen sich beispielsweise die oben beschriebenen Bedingungen für die Grenzströme erzeugen. Beispielsweise kann die erste Verbindung und/oder die zweite Verbindung mindestens einen Verbindungskanal mit mindestens einer Diffusionsbarriere aufweisen. Die Diffusionsbarriere kann beispielsweise mindestens ein poröses Material aufweisen, welches eine Strömung verhindert, also einen hohen Strömungswiderstand aufweist. Beispielsweise kann diese Diffusionsbarriere ein poröses Material umfassen, beispielsweise ein poröses keramisches Material mit einer gezielt eingestellten Porendichte und/oder einem gezielt einstellbaren Porenradius. Beispielsweise kann hierbei Aluminiumoxid mit einer eingestellten Porosität verwendet werden.
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Beispielsweise kann die erste Verbindung einen ersten Verbindungskanal mit einer ersten Diffusionsbarriere aufweisen und die zweite Verbindung kann einen zweiten Verbindungskanal mit einer zweiten Diffusionsbarriere aufweisen, wobei die erste Diffusionsbarriere und die zweite Diffusionsbarriere unterschiedliche Diffusionswiderstände aufweisen. Beispielsweise können sich diese Diffusionswiderstände und/oder die durch diese Diffusionswiderstände hervorgerufenen Strömungswiderstände um mindestens einen Faktor 1,5, insbesondere um mindestens einen Faktor 2 und besonders bevorzugt um mindestens einen Faktor 3 unterscheiden.
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Die Verbindungen können jegliche Art von Zufuhr umfassen, über welche Gas bzw. Komponenten des Gases auf dem Messgasraum zu den Elektroden gelangen kann. Beispielsweise können die Verbindungen Kanäle, Bohrungen oder Kombinationen aus Bohrungen und Kanälen umfassen. Beispielsweise kann das Sensorelement einen Schichtaufbau aufweisen, mit einer dem Messgasraum zuweisenden Oberfläche, wobei die erste Elektrode und/oder die zweite Elektrode in einer tiefer gelegenen Schichtebene angeordnet sind, wobei die erste Verbindung und/oder die zweite Verbindung mindestens eine Gaszutrittsbohrung in dem Schichtaufbau umfassen. Alternativ oder zusätzlich sind jedoch auch Anordnungen auf der Oberfläche möglich, bei welcher eine oder mehrere der Elektroden auf der dem Messgasraum zuweisenden Oberfläche angeordnet sind.
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Die erste Elektrode und/oder die zweite Elektrode können jeweils in einem ersten und/oder einem zweiten Elektrodenhohlraum angeordnet sein. So kann beispielsweise die erste Elektrode in einem ersten Elektrodenhohlraum angeordnet sein und über eine erste Gaszutrittsbohrung mit dem Messgasraum verbunden sein. Zwischen dem ersten Elektrodenhohlraum und der ersten Gaszutrittsbohrung kann mindestens eine erste Diffusionsbarriere angeordnet sein. Analog kann die zweite Elektrode in einem zweiten Elektrodenhohlraum angeordnet sein und über eine zweite Gaszutrittsbohrung mit dem Messgasraum verbunden sein, wobei zwischen dem zweiten Elektrodenhohlraum und der zweiten Gaszutrittsbohrung eine zweite Diffusionsbarriere angeordnet ist, wobei die erste Diffusionsbarriere und die zweite Diffusionsbarriere unterschiedliche Diffusionswiderstände (oder, was im Sinne der vorliegenden Erfindung gleichbedeutend verwendet wird, unterschiedliche Strömungswiderstände) aufweisen. Insbesondere können diese unterschiedlichen Diffusionswiderstände durch unterschiedliche Längen der Diffusionswiderstände, also durch unterschiedliche Längenausdehnungen in Richtung eines Gaszutritts, erzielt werden.
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Wie oben dargestellt, ist diese Ausgestaltung, bei welcher die erste Elektrode und die zweite Elektrode in tiefer gelegenen Schichtebenen angeordnet sind, jedoch lediglich eine von vielen möglichen Ausgestaltungen. Alternativ oder zusätzlich können auch eine oder beide der Elektroden an der Oberfläche angeordnet sein, wobei beispielsweise durch eine Abdeckung ein unmittelbarer Gaszutritt verhindert werden kann. Beispielsweise kann eine gasundurchlässige Abdeckung vorgesehen sein, durch welche (beispielsweise durch einen Spalt) die erste bzw. die zweite Verbindung hergestellt wird. Die vorgeschlagene Sensoranordnung weist gegenüber bekannten Sensoranordnungen eine Vielzahl von Vorteilen auf. So wird insbesondere im Bereich um λ = 1 durch Erhöhung des Grenzstroms eine erhebliche Verbesserung des Signals erzielt. Ein höherer Grenzstrom kann besser aufgelöst werden, wodurch sich die Genauigkeit entscheidend verbessern lässt.
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Das Sensorelement kann insbesondere mit zwei unterschiedlichen, räumlich voneinander getrennten Diffusions- bzw. Strömungswiderständen (zwischen diesen Möglichkeiten wird begrifflich im Folgenden nicht unterschieden) direkt an den Messgasraum angebunden sein, beispielsweise an ein Abgas. Über diese beiden Diffusionswiderstände wird, je nach Messbereich, der Sauerstoff gepumpt. Das Sensorelement kann insbesondere als Einzeller ausgestaltet sein, wobei jedoch grundsätzlich auch Mehrzeller-Anordnungen möglich sind. Auf diese Weise können vor den beiden Elektroden, die als Pumpelektroden fungieren, unterschiedliche Diffusionswiderstände eingebracht werden. Wird nun der Diffusionswiderstand vor der als Anode arbeitenden Elektrode so gewählt, dass eventuell vorhandener Wasserstoff, beispielsweise im Diesel NG-Abgas, bei Lambda < 1,3 abreagieren kann, der Diffusionswiderstand jedoch deutlich kleiner ist als der vor der als Kathode betriebenen Elektrode, so wird eine Möglichkeit der Bereichsumschaltung ermöglicht. Dies kann dadurch erfolgen, dass bei hohen Sauerstoffkonzentrationen über den großen Diffusionswiderstand gepumpt wird, während im Messbereich nahe bei λ = 1 (beispielsweise bei Lambda < 1,3, also kleinen Sauerstoffkonzentrationen) über den kleineren Diffusionswiderstand Sauerstoff gepumpt und der Messstrom entsprechend erhöht werden kann. Die Pumpstromrichtung wird also umgedreht und die zuvor als Anode fungierende Elektrode wirkt nun als Einbauelektrode bzw. Kathode. Ein NG-Abgas ist dabei ein Abgas, in welchem unverbrannte Kohlenwasserstoffe und O2 nebeneinander in der Gasphase vorliegen.
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Die Diffusionswiderstände bzw. Strömungswiderstände können für eine Messbereichsumschaltung, wie oben beschrieben, gezielt optimiert werden. Die Betriebsweise kann sich dahingehend ändern, dass die Pumprichtung je nach Sauerstoffkonzentration, d. h. je nach gemessenem Pumpstrom, geändert wird. Unterschreitet beispielsweise der gemessene Pumpstrom einen bestimmten Schwellwert, beispielsweise einen nicht mehr genügend auflösbaren Wert, so kann umgeschaltet werden. Dabei kann über den geringen Diffusions-/Strömungswiderstand der Restsauerstoff aus dem Abgas gepumpt werden. Die beiden Elektroden können im Wesentlichen symmetrisch ausgestaltet werden, mit dem einzigen Unterschied, dass sich die Grenzströme und/oder Diffusionswiderstände in den Verbindungen zu diesen Elektroden unterscheiden. Beispielsweise kann das Sensorelement im Vergleich zu herkömmlichen einzelligen Sensorelementen durch Einbringung eines zusätzlichen Diffusionswiderstandes über ein zusätzliches Bohrloch mit nachgelagerter Diffusionsbarriere modifiziert werden. Dieses Design kann mit dem oben beschriebenen Pumprichtungswechsel kombiniert werden, so dass eine einfache, wirkungsvolle Messbereichsumschaltung zur Erhöhung der Messgenauigkeit in der Nähe von λ = 1 realisiert werden kann.
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Neben der Sensoranordnung in einer oder mehreren der oben beschriebenen Ausführungsvarianten wird weiterhin ein Verfahren zur Bestimmung mindestens eines Parameters eines Gases in einem Messgasraum vorgeschlagen. Das Verfahren kann insbesondere unter Verwendung einer Sensoranordnung gemäß einer oder mehreren der beschriebenen Ausführungsformen erfolgen. Bezüglich möglicher Ausgestaltungen des Verfahrens kann daher weitgehend auf die oben beschriebenen optionalen Ausführungsformen der Sensoranordnung verwiesen werden.
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Bei dem Verfahren wird ein Sensorelement verwendet, welches mindestens eine Pumpzelle mit mindestens einer ersten Elektrode, mindestens einer zweiten Elektrode und mindestens einem die erste Elektrode und die zweite Elektrode verbindenden Festelektrolyten umfasst. Die erste Elektrode ist über mindestens eine erste Verbindung mit dem Messgasraum verbunden und mit Gas aus dem Messgasraum beaufschlagbar, und die zweite Elektrode ist über mindestens eine zweite Verbindung mit dem Messgasraum verbunden und mit Gas aus dem Messgasraum beaufschlagbar. Die erste Verbindung und die zweite Verbindung sind, wie oben dargestellt, derart ausgestaltet, dass die Pumpzelle in unterschiedlichen Pumprichtungen unterschiedliche Grenzströme aufweist. Das Verfahren wird derart durchgeführt, dass die Pumpzelle in mindestens zwei unterschiedlichen Messbereichen des Parameters in unterschiedlichen Pumprichtungen betrieben wird. Für weitere mögliche Ausgestaltungen des Verfahrens kann auf die obige Beschreibung verwiesen werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindungen sind in den Zeichnungen dargestellt und in den nachfolgenden Beschreibungen näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 ein Ausführungsbeispiel eines herkömmlichen Sensorelements mit Abluftkanal; und
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2 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung mit Messbereichsumschaltung.
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Ausführungsbeispiele
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In 1 ist ein bekanntes Sensorelement 110 in einer perspektivischen Explosionsdarstellung gezeigt. Das Sensorelement 110 ist in diesem Ausführungsbeispiel als einzellige Lambdasonde ausgestaltet und dient der Messung eines Anteils einer Sauerstoffkomponente in einem Messgasraum 112. Das Sensorelement 110 weist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel einen Schichtaufbau mit zwei innen liegenden Elektroden 114, 116 auf, welche miteinander durch einen Festelektrolyten 118 verbunden sind. Der Festelektrolyt 118 trennt gleichzeitig in dem dargestellten Ausführungsbeispiel die Elektroden 114, 116 vom Messgasraum 112.
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Die Elektroden 114, 116 sind in dem dargestellten Ausführungsbeispiel jeweils zweiteilig ausgestaltet und in einem ersten Elektrodenhohlraum 120 bzw. einem zweiten Elektrodenhohlraum 122 angeordnet. Diese Elektrodenhohlräume 120, 122 können beispielsweise ungefüllt ausgestaltet sein, können jedoch auch mit einem grobporigen Material ausgefüllt sein, welches gasdurchlässig ist, beispielsweise einem grobporigen Aluminiumoxid. Die erste Elektrode 114 ist über eine erste Elektrodenzuleitung 124, eine erste Durchkontaktierung 126 und einen ersten Anschlusskontakt 128 auf der dem Messgasraum 112 zuweisenden Oberfläche des Festelektrolyten 118 elektrisch kontaktierbar. Entsprechend sind für die zweite Elektrode 116 eine zweite Elektrodenzuleitung 130, eine zweite Durchkontaktierung 132 und ein zweiter Anschlusskontakt 134 vorgesehen.
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Auf der dem Messgasraum 112 zuweisenden Seite des Festelektrolyten 118 ist eine Reduzierschicht 136 vorgesehen, beispielsweise in Form einer elektrisch nicht kontaktierten Elektrode. Diese Reduzierschicht 136 soll insgesamt den Innenwiderstand einer die Erstelektrode 114, den Festelektrolyten 118 und die zweite Elektrode 116 umfassenden Pumpzelle 138 reduzieren. Die Reduzierschicht 136 kann beispielsweise gegenüber dem Messgasraum 112 abgedeckt ausgestaltet sein, beispielsweise durch eine entsprechende gasundurchlässige Abdeckung. Die Reduzierschicht 136 ist jedoch ein optionales Element der Pumpzelle 138.
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Die erste Elektrode 114 ist über eine erste Gaszutrittsbohrung 140 mit Gas aus dem Messgasraum 112 beaufschlagbar. Diese erste Gaszutrittsbohrung 140 durchdringt die Schicht des Festelektrolyten 118. Zwischen der ersten Gaszutrittsbohrung 140 und dem ersten Elektrodenhohlraum 120 ist weiterhin eine erste Diffusionsbarriere 142 vorgesehen, welche als Strömungswiderstand wirkt und ein freies Einströmen von Gas in den ersten Elektrodenhohlraum 120 verhindert, jedoch eine Nachdiffusion von Gas ermöglicht. Die erste Diffusionsbarriere 142 kann beispielsweise aus einem porösen keramischen Material hergestellt sein. Gas und/oder Gasbestandteile, wie beispielsweise Sauerstoff, können somit aus dem Messgasraum 112 durch die erste Gaszutrittsbohrung 140 und die erste Diffusionsbarriere 142 in den ersten Elektrodenhohlraum 120 eindringen. Beispielsweise kann auf diese Weise Sauerstoff aus dem Messgasraum 112 durch die Diffusionsbarriere 114 in den ersten Elektrodenhohlraum 120 eindiffundieren. Von diesem aus wird Sauerstoff an der ersten Elektrode 114 bei entsprechender Polung der Pumpzelle 138 in den Festelektrolyten 118 eingebaut und zur zweiten Elektrode 116 gepumpt. Dort wird wiederum Sauerstoff ausgebaut und als molekularer Sauerstoff in den zweiten Elektrodenhohlraum 122 eingebracht. Die erste Elektrode 114 wirkt bei dieser Beschaltung als Kathode, wohingegen die zweite Elektrode 116 bei dieser Beschaltung als Anode wirkt. Der zweite Elektrodenhohlraum 122 ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel mit einem Abluftkanal 144 verbunden. Dieser Abluftkanal 144 kann beispielsweise mit einem gasdurchlässigen porösen Element gefüllt sein oder kann wiederum auch ganz oder teilweise ungefüllt ausgestaltet sein.
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Durch den Abluftkanal 144 kann an der zweiten Elektrode 116 ausgebauter molekularer Sauerstoff in einen Umgebungsraum entweichen, beispielsweise einen von dem Messgasraum 112 getrennten Raum, z. B. einen Motorraum des Kraftfahrzeugs.
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Neben den genannten Elementen umfasst das Sensorelement 110 eine weitere Festelektrolytfolie 146 sowie ein unter dieser Festelektrolytfolie 146 angeordnetes Heizelement 148 und eine Basisfolie 150. Das Heizelement 148 kann beispielsweise über Heizerkontakte 152 und Durchkontaktierungen 154 kontaktiert werden und kann zwischen zwei Isolatorfolien 156 angeordnete Heizwendel 158 umfassen.
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Das Sensorelement 110 gemäß 1 wird bestimmungsgemäß dadurch verwendet, dass Sauerstoff von der ersten Elektrode 114 über den Festelektrolyten 118 zu der zweiten Elektrode 116 gepumpt wird. Dort kann der ausgebaute Sauerstoff über den Elektrodenhohlraum 122 und den Abluftkanal 144 in die Umgebung entweichen. Das Sensorelement 110 gemäß 1 weist jedoch die oben beschriebene Problematik auf, dass im mageren Abgas in der Nähe von λ = 1 aufgrund der geringen Sauerstoffkonzentration ein geringer Grenzstrom gemessen wird, der durch die gegenwärtig verwendete Elektronik in vielen Fällen nicht ausreichend aufgelöst werden kann.
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In 2 ist hingegen ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung 160 dargestellt, mit der das oben beschriebene Problem zumindest weitgehend gelöst werden kann. Die Sensoranordnung 160 umfasst ein Sensorelement 110 sowie eine in 2 lediglich angedeutete Steuerung 162. Diese Steuerung 162 kann beispielsweise über eine oder mehrere Schnittstellen 164 mit dem Sensorelement 110 verbunden sein, kann jedoch auch ganz oder teilweise in das Sensorelement 110 selbst integriert sein.
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Das Sensorelement 110 ist zunächst im Wesentlichen ähnlich zu dem Sensorelement 110 gemäß 1 aufgebaut, so dass weitgehend auf die obige Beschreibung verwiesen werden kann. Eine Reduzierschicht 136 ist bei dem Sensorelement 110 gemäß 2 nicht vorgesehen, kann jedoch alternativ optional ebenfalls vorgesehen werden. Für die Beschreibung der meisten Bestandteile des Sensorelements 110 kann auf die obige Beschreibung der 1 verwiesen werden.
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Wiederum umfasst das Sensorelement 110 eine Pumpzelle 138 mit einer ersten Elektrode 114, einem Festelektrolyten 118 und einer zweiten Elektrode 116. Die erste Elektrode 114 steht wiederum, analog zur Ausführungsform gemäß 1, über eine erste Verbindung 166 mit dem Messgasraum 112 in Verbindung und ist so mit Gas und/oder Gaskomponenten aus dem Messgasraum 112 beaufschlagbar. Dies bedeutet insbesondere, dass beispielsweise Sauerstoff über die erste Verbindung 166 in den ersten Elektrodenhohlraum 120 gelangen kann oder aus diesem entweichen kann. Die erste Verbindung 166 umfasst wiederum, analog zur Ausführungsform gemäß 1, eine erste Gaszutrittsbohrung 140 sowie eine Diffusionsbarriere 142, welche mit dem ersten Elektrodenhohlraum 120 in Verbindung steht.
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Wiederum ist an der zweiten Elektrode 116 ein zweiter Elektrodenhohlraum 122 vorgesehen. Im Unterschied zu dem dem Stand der Technik entsprechenden Sensorelement 110 gemäß 1 ist dieser zweite Elektrodenhohlraum 122 jedoch nicht mit einem Abluftkanal 144 verbunden, über welches freiwerdender Sauerstoff entweichen kann. Stattdessen steht die zweite Elektrode 116 bzw. der zweite Elektrodenhohlraum 122 über eine zweite Verbindung 168 ebenfalls mit dem Messgasraum 112 in Verbindung. Die zweite Verbindung 168 umfasst in dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine zweite Diffusionsbarriere 170 sowie eine den Festelektrolyten 118 ebenfalls durchdringende zweite Gaszutrittsbohrung 172.
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Die Position der zweiten Gaszutrittsbohrung 172 ist dabei exemplarisch variierbar, was in 2 mit der Ortskoordinate d bezeichnet ist. Dadurch lässt sich die Länge der zweiten Diffusionsbarriere 170 einstellen, welche von dem Gas auf dem Weg von der zweiten Gaszutrittsbohrung 172 zum zweiten Elektrodenhohlraum 122 oder umgekehrt durchdrungen werden muss. In anderen Worten lässt sich durch diese Position d auf einfache Weise ein Grenzstrom einstellen, welcher dann eintritt, wenn die zweite Elektrode 116 als Einbauelektrode, also als Kathode, fungiert.
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Damit ergibt sich eine Asymmetrie in einer Beschaltung der Pumpzelle 138. Fungiert die erste Elektrode 114 als Einbauelektrode (Kathode) und die zweite Elektrode 116 als Ausbauelektrode (Anode) für Sauerstoff, so wirkt die erste Diffusionsbarriere 142 als bestimmender Faktor für den Grenzstrom der Pumpzelle 138. Diese Pumprichtung wird im Folgenden als erste Pumprichtung bezeichnet. In umgekehrter Pumprichtung (im Folgenden als zweite Pumprichtung bezeichnet) wirkt hingegen die zweite Diffusionsbarriere 170 als begrenzender Faktor für den Grenzstrom. Da die Länge dieser zweiten Diffusionsbarriere 170 im dargestellten Ausführungsbeispiel größer ist als die Länge der ersten Diffusionsbarriere 142, ist, bei gleichem Querschnitt, der Diffusionswiderstand der zweiten Diffusionsbarriere 170 größer als der Diffusionswiderstand der ersten Diffusionsbarriere 142. Dies bedeutet wiederum, dass der Grenzstrom in der zweiten Pumprichtung kleiner ist als in der ersten Pumprichtung.
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Wie oben dargestellt, ist die Steuerung 162 nun eingerichtet, um das Sensorelement 110 in unterschiedlichen Pumprichtungen zu betreiben. Beispielsweise kann bei hohen Sauerstoffkonzentrationen, also bei hohen Lambda-Werten, über den größeren Diffusionswiderstand (im dargestellten Ausführungsbeispiel also die zweite Diffusionsbarriere 170) gepumpt werden, wohingegen bei kleinen Sauerstoffkonzentrationen, also im Messbereich Nahe λ = 1 (beispielsweise zwischen λ = 1 und λ < 1,3) über den geringeren Diffusionswiderstand, also im dargestellten Beispiel über die erste Diffusionsbarriere 142, gepumpt werden kann. Auf diese Weise kann bei kleinen Sauerstoffkonzentrationen der Messstrom gezielt erhöht werden, indem die Pumprichtung derart umgeschaltet wird, dass eine Diffusionsbarriere mit kleinerem Diffusionswiderstand den Grenzstrom bestimmt. Im dargestellten und oben beschriebenen Ausführungsbeispiel wäre dies die erste Pumprichtung, also eine Richtung, bei welcher Sauerstoff von der ersten Elektrode 114 zur zweiten Elektrode 116 gepumpt wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Robert Bosch GmbH: Sensoren im Kraftfahrzeug, 2. Ausgabe, April 2007, Seite 154–159 [0002]
