DE102012220745A1

DE102012220745A1 - Wasserfassungselement und Wasserfassungssensor, der damit ausgestattet ist

Info

Publication number: DE102012220745A1
Application number: DE102012220745A
Authority: DE
Inventors: Takashi Sawada; Zhenzhou Su; Hiroshi Imai; Katsuji Kosaka; Yasuhiro Uchida
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2011-11-15
Filing date: 2012-11-14
Publication date: 2013-06-06
Anticipated expiration: 2032-11-15
Also published as: JP2013104801A; JP5500154B2; DE102012220745B4

Abstract

Ein Wassererfassungselement 10 zur Erfassung einer Adhäsion bzw. Anhaftung von Wassertropfen auf der Grundlage einer Änderung einer Impedanz zwischen Wassererfassungselektroden 110, 120. Das Element 10 weist einen Festelektrolytkörper 100, der eine Ionenleitfähigkeit bei spezifischen Ionen aufweist, und ein Paar von Wassererfassungselektroden 110, 120, die eine vorbestimmte Fläche aufweisen, die auf Oberflächen des Festelektrolytkörpers 100 ausgebildet ist, auf. Das Element 10 weist einen Erwärmungsabschnitt 150, der Wärmeenergie erzeugt und den Wassererfassungselektroden 110, 120 zuführt, und eine Isolationsschicht 130 auf, die aus einem elektrischen Isolationskeramikmaterial hergestellt ist, das eine elektrische Isolationseigenschaft und eine thermische Leitfähigkeitseigenschaft aufweist, und mit der eine Oberfläche der Wassererfassungselektrode 110 abgedeckt ist, wobei sie verhindert, dass die Wassererfassungselektrode 110 mit dem Messgas in Kontakt kommt. Ein Wassererfassungssensor 1 weist das Wassererfassungselement 10, eine elektrische Leistungsquelle 30 und eine Erfassungsschaltung 20 auf.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft Wassererfassungselemente, Wassererfassungssensoren, die mit dem Wassererfassungselement ausgestattet sind, und Verfahren zum Erfassen des Vorhandenseins von Wassertropfen, die in einem Messgas als ein Erfassungsziel beinhaltet sind, und zum Erfassen eines Anhaftens (einer Anhaftung) bzw. einer Adhäsion von Wassertropfen an dem Wassererfassungselement. Der Wassererfassungssensor ist in einem Gasrohr angeordnet, durch das ein Messgas strömt.
2. Beschreibung des verwandten Standes der Technik
Es gibt verschiedene Gassensoren, die in Motorfahrzeugen und anderen Vorrichtungen, Geräten und Fabriken verwendet werden.
Ein derartiger Gassensor ist mit einem Gassensorelement zur Erfassung einer Konzentration von Sauerstoff ausgestattet, der in einem Messgas beinhaltet ist. Das Gassensorelement weist einen Festelektrolytkörper und ein Paar von Erfassungselektroden auf. Der Festelektrolytkörper weist näherungsweise eine Plattenform oder eine zylindrische Form mit einem geschlossenen Bodenabschnitt auf. Der Festelektrolytkörper ist aus einem Festelektrolytmaterial hergestellt, wie beispielsweise Yttrium-dotiertes Zirkoniumdioxid oder Strontiumoxid-dotiertes Ceroxid, das eine elektrische Leitfähigkeit bei spezifizierten Ionen aufweist. Beispielsweise weist Yttrium-dotiertes Zirkoniumdioxid eine elektrische Leitfähigkeit bei Sauerstoffionen auf, und Strontiumoxid-dotiertes Ceroxid weist eine elektrische Leitfähigkeit bei Protonen auf.
In dem Gassensorelement in dem Gassensor bilden eine Referenzelektrode und eine Messelektrode ein Paar. Die Messelektrode ist in dem Gassensorelement angeordnet, um einem Messgas als ein Erfassungsziel zu begegnen, und die Referenzelektrode ist angeordnet, um einer Umgebungsluft als ein Referenzgas zu begegnen. Das Gassensorelement erfasst eine elektromotorische Kraft, die zwischen der Messelektrode und der Referenzelektrode erzeugt wird. Eine derartige elektromotorische Kraft wird auf der Grundlage einer Konzentrationsdifferenz zwischen einem spezifizierten Gasbestandteil, der in dem Messgas beinhaltet ist, und einem spezifizierten Gasbestandteil, der in der Umgebungsluft beinhaltet ist, erzeugt. Das Gassensorelement erfasst ferner einen Strom, der fließt, wenn eine Spannung zwischen der Messelektrode und der Referenzelektrode angelegt wird.
Ein derartiger Gassensor, der mit dem Gassensorelement ausgestattet ist, wird in einem Abgassystem für eine Brennkraftmaschine verwendet, die beispielsweise bei einem Motorfahrzeug angebracht ist. Der Gassensor erfasst eine Konzentration von Sauerstoff, der in dem Abgas beinhaltet ist, das aus einer Brennkraftmaschine ausgestoßen wird. Ein derartiges Erfassungsergebnis des Gassensors kann zur Einstellung eines Luft-/Kraftstoff-Verhältnisses (air-fuel-ratio bzw. AFR) und zum Entfernen von Stickoxid NOx und Ruß von dem Abgas verwendet werden.
Im Allgemeinen weist ein derartiger Gassensor einen Erwärmungsabschnitt auf, um Wärmeenergie zu erzeugen, wenn eine elektrische Leistung empfangen wird.
Wenn der Wärmeerzeugungsabschnitt Wärmeenergie bei dem Festelektrolytkörper bereitstellt, wird eine Temperatur des Festelektrolytkörpers vergrößert. Dies ermöglicht es, spezifizierte Ionen, die in dem Abgas beinhaltet sind, zu aktivieren.
Nebenbei bemerkt wird, wenn der Gassensor, der mit dem Gassensorelement ausgestattet ist, das den vorstehend beschriebenen Aufbau aufweist, in einem Abgassystem einer Brennkraftmaschine verwendet wird, Wasserdampf, der in dem Abgas als Messgas beinhaltet ist, das von der Brennkraftmaschine ausgestoßen wird, in dem Gassensorelement des Gassensors zu Wassertropfen kondensiert, wobei derartige Wassertropfen in dem Gassensorelement in einer kalten Jahreszeit oder einem kalten Bereich gefroren werden. Die Wassertropfen haften an dem Gassensorelement an.
Nachdem die Brennkraftmaschine zu arbeiten beginnt und Wasser, das in dem Abgas beinhaltet ist, das von der Brennkraftmaschine ausgestoßen wird, in einer kalten Jahreszeit oder einem kalten Bereich zu Wassertropfen kondensiert wird, wird, wenn die Wassertropfen an dem Gassensorelement angelagert werden oder daran anhaften, das durch den Erwärmungsabschnitt auf eine hohe Temperatur erwärmt worden ist, eine große Belastung an das Gassensorelement in dem Gassensor angelegt, da es eine große Temperaturdifferenz zwischen den Wassertropfen und dem Gassensorelement gibt. Als Ergebnis wird das Gassensorelement beschädigt oder zerstört oder es werden Bruchstellen in der Innenseite des Gassensorelements erzeugt, da eine große thermische Belastung an das Gassensorelement angelegt wird. Um diese Schwierigkeit zu vermeiden, sind verschiedene Techniken vorgeschlagen worden, um zu verhindern, dass ein derartiges Gassensorelement beschädigt oder zerstört wird.
Beispielsweise offenbart eine erste Patentdruckschrift gemäß dem Stand der Technik, die japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. JP 2008-076211 , ein herkömmliches Gassensorelement mit einem Doppelzylinderaufbau, in dem ein freigelegter Abschnitt in einem Konzentrationserfassungselement mit Zylindern eines Doppelaufbaus abgedeckt wird. Die Zylinder der Doppelstruktur sind in einer konzentrischen Ringstruktur angeordnet. Das Konzentrationserfassungselement erfasst eine Konzentration eines spezifischen Gasbestandteils, der in einem Abgas als ein Messgas beinhaltet ist. Der freigelegte Abschnitt des Konzentrationserfassungselements begegnet dem Abgas bzw. steht ihm gegenüber. Ein Öffnungsteil oder mehrere Öffnungsteile ist/sind in einem Abdeckungsgehäuse des Gassensorelements ausgebildet, um dem Abgas in einer spezifischen Richtung gegenüber zu stehen bzw. zu begegnen. Dieser Aufbau der Öffnungsteile ermöglicht es, die Strömung des Abgases, das in die Innenseite des Abdeckungsgehäuses einzubringen ist, einzustellen und zu verhindern, dass Wassertropfen an den Oberflächen des Gassensorelements anhaften. Dies ermöglicht es zu verhindern, dass das Gassensorelement beschädigt oder zerstört wird.
Eine zweite Patentdruckschrift gemäß dem Stand der Technik, die japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. JP 2010-169655 , offenbart ein Gassensorelement mit einem Aufbau, bei dem eine poröse Schutzschicht auf einer Oberfläche des Gassensorelements ausgebildet ist, die zu dem Abgas als ein Messgas freigelegt ist. Die poröse Schutzschicht ist aus einer wärmeresistenten hydrophilen bzw. wasserbindenden Partikelschicht und einer wärmeresistenten hydrophoben bzw. wasserabweisenden Partikelschicht aufgebaut, die einen unterschiedlichen Kontaktwinkel zu Wasser aufweisen. Dieser Aufbau ermöglicht es, Wassertropfen schnell in die Innenseite der porösen Schutzschicht einzudiffundieren, um eine thermale Belastung zu verringern, wenn Wassertropfen an dem Gassensorelement anhaften. Dies ermöglicht es zu verhindern, dass das Gassensorelement beschädigt und zerstört wird, wenn Wassertropfen in Kontakt mit dem Sensorelement sind.
Eine dritte Patentdruckschrift gemäß dem Stand der Technik, die deutsche Patentoffenlegungsschrift Nr. DE A1-1014933 , offenbart eine Feuchtigkeitserfassungsvorrichtung, die in der Lage ist, eine Feuchtigkeit eines Abgases als ein Messgas zu erfassen. Die Feuchtigkeitserfassungsvorrichtung ist aus einer Widerstandserfassungsbaugruppe und einem Temperaturerfassungsabschnitt aufgebaut, die auf einem Substrat ausgebildet sind. Um einen elektrischen Widerstand zwischen Elektroden eines Paares zu erfassen, weist die Widerstandserfassungsbaugruppe eine Widerstandserfassungsfläche auf, die zwischen den Elektroden in einem Paar ausgebildet ist. Wenn Ruß auf der Erfassungsfläche, die zwischen den Elektroden eines Paares ausgebildet ist, angesammelt ist und Wassertropfen in einen Grenzbereich von Partikeln des aufgespeicherten Rußes, der die Elektroden abdeckt, imprägniert ist, wird ein elektrischer Widerstand der Erfassungsfläche verkleinert. Die Feuchtigkeitserfassungsvorrichtung erfasst eine Feuchtigkeit des Abgases auf der Grundlage der Änderung des erfassten elektrischen Widerstands.
Eine vierte Druckschrift gemäß dem Stand der Technik, die japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. JP 2007-225592 , offenbart ein Gassensorelement eines Gassensors mit einem Aufbau, bei dem ein Wassererfassungspartikelpulver auf einer Oberfläche des Gassensorelements anhaftet. Das Gassensorelement ist in einem Abgasdurchgang angeordnet, durch den ein Abgas strömt. Wenn das Abgas einen Teil des Wassererfassungspartikelpulvers kontaktiert, wird das Wassererfassungspartikelpulver bei dem Teil entfernt. Die vierte Patentdruckschrift gemäß dem Stand der Technik offenbart ein Verfahren zum Erfassen, wie Wassertropfen auf den Oberflächen des Gassensorelements anhaften, auf der Grundlage des Teils, von dem das Wassererfassungspulver entfernt ist.
In dem Aufbau des Gassensorelements, das durch die dritte Druckschrift gemäß dem Stand der Technik offenbart wird, ist es jedoch, da ein erster Widerstandswert und ein zweiter Widerstandswert addiert werden, schwierig, korrekt zu erfassen, ob die Ausgabe des Gassensorelements auf der Grundlage der Änderung des aufgespeicherten Rußes oder der Änderung des aufgespeicherten Wassers verändert wird. Zusätzlich unterliegt, da die Widerstandserfassungsbaugruppe, die aus den Elektroden mit dem aufgespeicherten Ruß zusammengesetzt ist, durch Wassertropfen und Giftbestandteile, die in dem Abgas beinhaltet sind, verschlechtert wird, das Erfassungsergebnis des Gassensorelements Schwankungen.
Demgegenüber kann das Verfahren, das durch die vierte Patendruckschrift gemäß dem Stand der Technik, die japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. JP 2007-225592 , offenbart ist, den Vorgang zum Erfassen der Adhäsion bzw. des Anhaftens von Wassertropfen an dem Gassensorelement unter Verwendung des Wassererfassungspartikelpulvers bei relativ niedrigen Kosten ausführen. Das Verfahren macht es jedoch erforderlich, das Gassensorelement von dem Gassensor bei jedem Erfassungsvorgang abzutrennen und zu erfassen, ob Wassertropfen an dem Gassensorelement anhaften oder nicht, indem erfasst wird, ob Wassererfassungspartikelpulver von der Oberfläche des Gassensorelements entfernt ist oder nicht. Ferner macht es das Verfahren erforderlich, Wassererfassungspartikelpulver wieder auf die Oberfläche des Gassensorelements aufzubringen. Dieses Verfahren vergrößert die aufgewendete Zeit und den Aufwand.
Weiterhin erfasst das Verfahren, das in der vierten Patentdruckschrift gemäß dem Stand der Technik offenbart ist, auf einfache Weise mit einer gewissen Genauigkeit die Position, bei der Wassertropfen anhaften, um eine Wasserschutzfähigkeit und eine superhydrophobe Funktion der porösen Schutzschicht zu beurteilen. Dies macht es jedoch unmöglich, eine Adhäsion bzw. Anhaftung von Wassertropfen unmittelbar zu erfassen, wenn derartige Wassertropfen an dem Gassensorelement anhaften, ohne das Gassensorelement von einem Abgasrohr einer Brennkraftmaschine zu demontieren. Ferner macht es dieses Verfahren unmöglich, das Gassensorelement in einer bordeigenen Diagnose zu verwenden.
KURZZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es wird folglich gewünscht, ein Wassererfassungselement, einen Wassererfassungssensor, der mit dem Wassererfassungselement ausgestattet ist, und ein Verfahren zum zeitnahen Erfassen einer Adhäsion bzw. Anhaftung von Wassertropfen an dem Wassererfassungselement und einer Quantität von Wassertropfen, die an dem Wassererfassungselement anhaften, mit hoher Genauigkeit, auch wenn eine Temperatur des Messgases und eine Strömungsgeschwindigkeit des Messgases aufgrund der Änderung von Umgebungsbedingungen und Antriebsbedingungen von Vorrichtungen, wie beispielsweise einer Brennkraftmaschine, die ein derartiges Messgas ausstößt, verändert werden.
Um die vorstehend genannten Ziele zu erreichen, offenbart das vorliegende beispielhafte Ausführungsbeispiel ein Wassererfassungselement 10, 10a, 10b, 10c, das in der Lage ist, eine Adhäsion bzw. Anhaftung von Wassertropfen an dem Wassererfassungselement 10, 10a, 10b, 10c auf der Grundlage einer Änderung einer Impedanz zwischen Wassererfassungselektroden 110, 110a, 110b, 110c, 120, 120b, 120c zu erfassen. Das Wassererfassungselement 10, 10a, 10b, 10c weist einen Festelektrolytkörper 100, 100a, 100b, 100c, ein Paar einer ersten Wassererfassungselektrode 110, 110a, 110b, 110c und einer zweiten Wassererfassungselektrode 120, 120a, 120b, 120c, einen Erwärmungsabschnitt 150, 150b, 150c und eine Isolationsschicht 130, 130b, 130c auf.
Der Festelektrolytkörper 100, 100a, 100b, 100c ist aus einem Festelektrolytmaterial mit einer Ionenleitfähigkeit bei spezifischen Ionen hergestellt. Das Paar der ersten Wassererfassungselektrode 110, 110a, 110b, 110c und der zweiten Wassererfassungselektrode 120, 120a, 120b, 120c weist einen vorbestimmten Bereich bzw. eine vorbestimmte Fläche auf, die auf Oberflächen des Festelektrolytkörpers 100, 100a, 100b, 100c ausgebildet ist. Der Erwärmungsabschnitt 150, 150b, 150c erzeugt eine Wärmeenergie, wenn er eine elektrische Leistung empfängt, und führt die erzeugte Wärmeenergie dem Paar der ersten Wassererfassungselektrode 110, 110a, 110b, 110c und der zweiten Wassererfassungselektrode 120, 120a, 120b, 120c zu. Die Isolationsschicht 130, 130b, 130c ist aus einem elektrisch isolierenden Keramikmaterial hergestellt und weist elektrische Isolations- und thermische Leitfähigkeitseigenschaften auf, mit der eine Oberfläche von zumindest einer der ersten Wassererfassungselektrode 110, 110a, 110b, 110c und der zweiten Wassererfassungselektrode 120, 120a, 120b, 120c bedeckt ist. Die Isolationsschicht 130, 130b, 130c verhindert, dass die Wassererfassungselektrode, deren Oberfläche bei einem Messgas über die Isolationsschicht 130, 130b, 130c positioniert ist, in Kontakt mit dem Messgas kommt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Änderung in einer Impedanz des Wassererfassungselements 10, 10a, 10b, 10c, die verursacht wird, wenn Wassertropfen, die in einem Messgas beinhaltet sind, kondensiert werden und an dem Wassererfassungselement anhaften, in Eigenschaften unterschiedlich ist zu der Änderung in einer Impedanz des Wassererfassungselements, die durch eine Änderung einer Temperatur des Messgases, oder wenn eine Strömungsgeschwindigkeit des Messgases verändert wird, verursacht wird.
Bei einer Erfassung der Adhäsion bzw. Anhaftung von Wassertropfen auf dem Wassererfassungselement ist es, da die Wassererfassungselektrode 110, 110a, 110b, 110c in einer Position angeordnet ist, um dem Messgas durch die Isolationsschicht 130, 130b, 130c gegenüber zu liegen, und von dem Messgas durch die Isolationsschicht 130, 130b, 130c getrennt und isoliert ist, möglich zu verhindern, dass die Wassererfassungselektrode 110, 110a, 110b, 110c durch Bestandteile, die in dem Messgas beinhaltet sind, angegriffen bzw. korrodiert wird und durch eine elektrochemische Reaktion mit derartigen verschiedenen Bestandteilen, die in dem Messgas beinhaltet sind, verschlechtert wird. Dies ermöglicht es dem Wassererfassungselement, ein Erfassungssignal für eine lange Zeitdauer stabil auszugeben und eine lange Lebensdauer aufzuweisen.
Zusätzlich zu diesem Merkmal kann das Wassererfassungselement 10, 10a, 10b, 10c eine Quantität der Änderung einer Impedanz, die der Menge von Wassertropfen entspricht, die an dem Wassererfassungselement anhaften, mit hoher Genauigkeit erfassen. Dementsprechend ist es für ein Steuerungsverfahren möglich, das Wassererfassungselement 10, 10a, 10b, 10c gemäß der vorliegenden Erfindung zu verwenden. Das Steuerungsverfahren bestimmt eine optimale Temperatursteuerung, um zu verhindern, dass verschiedene Typen von Gassensoren durch die Adhäsion bzw. Anhaftung von Wassertropfen beschädigt werden. Es ist ferner für ein Steuerungsverfahren möglich, das Wassererfassungselement 10, 10a, 10b, 10c gemäß der vorliegenden Erfindung zu verwenden. Das Steuerungsverfahren führt einfach eine Quantitätsbeurteilung für einen Aufbau eines Abdeckungsgehäuses in einem Gassensor aus. Dementsprechend ist es möglich, das Wassererfassungselement 10, 10a, 10b, 10c gemäß der vorliegenden Erfindung zu verwenden, um Gassensoren mit einer verbesserten Wassertropfenwiderstandsfähigkeit zu entwickeln.
Weiterhin ist es, da das Wassererfassungselement 10, 10a, 10b, 10c die Adhäsion bzw. Anhaftung von Wassertropfen an dem Wassererfassungselement 10, 10a, 10b, 10c selbst zeitnah erfassen kann, möglich, das Erfassungssignal als die Erfassungsergebnisse an verschiedene Typen von Sensoren, wie beispielsweise Temperatursensoren und Gassensoren, auf einfache Weise und zeitnah zu übertragen. Dies ermöglicht es, die Rückkopplungssteuerung bzw. Regelung der Erfassungsergebnisse mit hoher Genauigkeit auszuführen und die Erfassungsgenauigkeit zu vergrößern sowie zu vermeiden, dass verschiedene Sensoren durch die Adhäsion bzw. Anhaftung von Wassertropfen beschädigt oder zerstört werden.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung offenbart das vorliegende beispielhafte Ausführungsbeispiel einen Wassererfassungssensor zur Erfassung der Adhäsion bzw. Anhaftung von Wassertropfen an einem Wassererfassungselement. Das heißt, der Wassererfassungssensor 1, 1a, 1b, 1c weist die Wassererfassungselemente 10, 10a, 10b, 10c, die in einem der Patentansprüche beansprucht sind, eine Erwärmungsabschnittsleistungszufuhrsteuerungsvorrichtung 30, eine Wechselstromleistungszufuhr 20 und eine Beurteilungseinrichtung 20 auf. Die Erwärmungsabschnittsleistungszufuhrsteuerungsvorrichtung 30 stellt eine elektrische Leistung für den Erwärmungsabschnitt 150, 150b und 150c ein. Die Wechselstromleistungszufuhr 20 führt dem Paar der ersten und zweiten Wasserelektroden 110, 110a, 110b, 110c, 120, 120a, 120b, 120c einen Wechselstrom zu. Die Impedanzerfassungseinrichtung 201, 20 erfasst eine Änderung einer Impedanz zwischen den ersten und zweiten Wassererfassungselektroden 110, 110a, 110b, 110c, 120, 120a, 120b, 120c. Die Erfassungsbeurteilungseinrichtung 202, 20 empfängt einen Ausgabewert, der von der Impedanzerfassungseinrichtung 201, 20 übertragen wird, mit einem vorbestimmten Schwellenwert. Die Erfassungsbeurteilungseinrichtung 202, 20 bestimmt, ob eine Adhäsion bzw. Anhaftung von Wassertropfen an dem Wassererfassungselement aufgetreten ist, auf der Grundlage eines Vergleichsergebnisses der Erfassungsbeurteilungseinrichtung 202, 20.
Der Wassererfassungssensor 1, 1a, 1b, 1c, der mit dem Wassererfassungselement 10, 10a, 10b, 10c gemäß der vorliegenden Erfindung ausgestattet ist, weist eine hohe Haltbarkeit und eine lange Lebensdauer auf, wobei es insbesondere möglich ist, das Auftreten einer Adhäsion bzw. Anhaftung von Wassertropfen auf dem Wassererfassungselement und eine Quantität von Wassertropfen, die auf dem Wassererfassungselement anhaften, unmittelbar zu erfassen, wenn derartige Wassertropfen an dem Wassererfassungselement 10, 10a, 10b, 10c anhaften. Ferner ist es für den Wassererfassungssensor 1, 1a, 1b, 1c mit dem vorstehend beschriebenen Aufbau möglich, Erfassungssignale an eine externe Vorrichtung, wie beispielsweise die Erfassungsschaltung 20, schnell zu übertragen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Ein bevorzugtes, nicht einschränkendes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben. Es zeigen:
1A eine perspektivische Entwicklungsdarstellung, die einen Aufbau eines Wassererfassungselements zeigt, das in einem Wassererfassungssensor gemäß einem ersten beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verwendet wird,
1B eine Darstellung, die einen Querschnitt des in 1A gezeigten Wassererfassungselements zeigt und einen Gesamtschaltungsaufbau des Wassererfassungssensors gemäß dem ersten beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt,
2A einen longitudinalen Querschnitt des in 1B gezeigten Wassererfassungssensors,
2B einen vergrößerten Querschnitt, der einen Teil des Wassererfassungselements zeigt, das in dem Wassererfassungssensor gemäß dem ersten beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verwendet wird,
3A eine Darstellung, die eine Temperaturbedingung des Wassererfassungselements zeigt, das in dem Wassererfassungssensor gemäß dem ersten beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verwendet wird,
3B eine Darstellung, die die Änderung in einer Impedanzantwort des Wassererfassungselements entsprechend der Änderung der zugehörigen Temperatur, die in 3A gezeigt ist, zeigt,
3C eine Darstellung, die die Impedanzkennlinie des Wassererfassungselements in dem Wassererfassungssensor gemäß dem ersten beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt,
3D eine Darstellung, die eine Ersatzschaltung des Wassererfassungselements gemäß dem ersten beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt,
4A eine Darstellung, die die Ausgabekennlinie des Wassererfassungssensors zeigt, wenn das Wassererfassungselement das Auftreten einer Adhäsion bzw. Anhaftung von Wassertropfen an dem Wassererfassungssensor erfasst,
4B eine Darstellung, die eine Ausgabekennlinie des Wassererfassungssensors zeigt, wenn ein Abgas als ein Messgas dem Wassererfassungssensor zugeführt wird, um die gleiche Impedanzänderung zu haben, wenn Wassertropfen an dem Wassererfassungselement anhaften,
5A bis 5E Darstellungen, die experimentelle Ergebnisse des Wassererfassungssensors zeigen, um optimale Bedingungen zum Erfassen des Auftretens einer Adhäsion bzw. Anhaftung von Wassertropfen an dem Wassererfassungssensor, der mit dem Wassererfassungselement ausgestattet ist, zu erfassen, wobei 5A eine Darstellung ist, die eine Wassererfassungskennlinie des Wassererfassungssensors bei 600°C zeigt, 5B eine Darstellung ist, die eine Wassererfassungskennlinie des Wassererfassungssensors bei 650°C zeigt, 5C eine Darstellung ist, die eine Wassererfassungskennlinie des Wassererfassungssensors bei 730°C zeigt, 5D eine Darstellung ist, die eine Wassererfassungskennlinie des Wassererfassungssensors bei 800°C zeigt, und 5E eine Darstellung ist, die eine Wassererfassungskennlinie des Wassererfassungssensors bei 850°C zeigt,
6A eine Darstellung, die ein Flussdiagramm zur Bestimmung eines Impedanzschwellenwertes Z_REF des Wassererfassungselements in dem Wassererfassungssensor gemäß dem ersten beispielhaften Ausführungsbeispiel zeigt,
6B ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zur Erfassung von Wassertropfen zeigt, die an dem Wassererfassungselement in dem Wassererfassungssensor gemäß dem ersten beispielhaften Ausführungsbeispiel anhaften,
7A eine perspektivische Entwicklungsdarstellung, die einen Aufbau eines Wassererfassungselements gemäß einem zweiten beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt,
7B eine Darstellung, die einen Querschnitt entlang einer Richtung zeigt, die senkrecht zu einer longitudinalen Richtung des in 7A gezeigten Wassererfassungselements ist,
7C eine Darstellung, die einen Querschnitt entlang einer longitudinalen Richtung des in 7A gezeigten Wassererfassungselements zeigt,
8A eine perspektivische Entwicklungsdarstellung, die einen Aufbau eines Wassererfassungselements zeigt, das in einem Wassererfassungssensor gemäß einem dritten beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verwendet wird,
8B eine Darstellung, die einen Querschnitt des in 8A gezeigten Wassererfassungselements zeigt,
8C eine perspektivische Darstellung, die das vollständige Wassererfassungselement zeigt, das in 8A gezeigt ist,
9A eine perspektivische Entwicklungsdarstellung, die einen Aufbau eines Wassererfassungssensors zeigt, der mit einem Wassererfassungselement gemäß einem vierten beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ausgestattet ist,
9B eine Darstellung, die einen Querschnitt des Wassererfassungssensors zeigt, der mit dem in 9A gezeigten Wassererfassungselement ausgestattet ist, und
9C eine detaillierte Darstellung, die einen Teil des Wassererfassungssensors zeigt, der mit dem in 9A gezeigten Wassererfassungselement ausgestattet ist.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Nachstehend sind verschiedene Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben. In der nachfolgenden Beschreibung der verschiedenen Ausführungsbeispiele bezeichnen gleiche Bezugszeichen oder Zahlen gleiche oder äquivalente Bauelemente innerhalb der verschiedenen Diagramme.
Erstes beispielhaftes Ausführungsbeispiel
Nachstehend wird eine Beschreibung eines Wassererfassungselements, das mit einem Wassererfassungssensor ausgestattet ist, gemäß einem ersten beispielhaften Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf 1A und 1B bis 6A und 6B angegeben.
1A zeigt eine perspektivische Entwicklungsdarstellung, die einen Aufbau des Wassererfassungselements 10 zeigt, das in dem Wassererfassungssensor 1 gemäß einem ersten beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verwendet wird. 1B zeigt eine Darstellung, die einen Querschnitt des Wassererfassungselements 10, das in 1A gezeigt ist, zeigt. 1B zeigt ferner einen Gesamtschaltungsaufbau des Wassererfassungssensors 1 gemäß dem ersten beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. 2A zeigt einen longitudinalen Querschnitt des in 1B gezeigten Wassererfassungssensors 1. 2B zeigt einen vergrößerten Querschnitt, der einen Teil des Wassererfassungselements 10 zeigt, das in dem Wassererfassungssensor 1 gemäß dem ersten beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
In 2A ist ein Frontabschnitt des Wassererfassungselements 10 zu einem Abgas als ein Messgas freigelegt, wobei Anschlüsse, die von einem Distalendabschnitt des Gassensorelements 10 herausragen, mit einer Erfassungsschaltung 20 und einem elektrischen Leistungszufuhrsteuerungsabschnitt 30 elektrisch verbunden sind. Die Erfassung 20 und der elektrische Leistungszufuhrsteuerungsabschnitt 30 werden nachstehend beschrieben.
Beispielsweise erfasst das Wassererfassungselement 10 gemäß dem ersten beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung die Adhäsion bzw. Anhaftung von Wassertropfen an dem Wassererfassungselement 10 auf der Grundlage einer erfassten Impedanz Z_AC. Gassensoren oder Temperatursensoren, die in einem Abgasrohr angeordnet sind, werden durch einen thermischen Schock beschädigt oder zerstört, wenn eine Wasserfeuchtigkeit, die in einem Abgas als einem Messgas beinhaltet ist, das von einer Brennkraftmaschine eines Motorfahrzeugs ausgestoßen wird, zu Wassertropfen kondensiert wird. Die Wassertropfen haften an den Gassensoren und den Temperatursensoren an. Es ist möglich, auf der Grundlage einer Impedanz Z_AC, die durch das Wassererfassungselement 10 in dem Wassererfassungssensor 1 gemäß dem ersten beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung erfasst wird, zu verhindern, dass die Gassensoren und die Temperatursensoren durch einen thermischen Schock beschädigt oder zerstört werden.
Das heißt, das Wassererfassungselement 10 in dem Wassererfassungssensor 1 gemäß dem ersten beispielhaften Ausführungsbeispiel, das in einem Abgasrohr angeordnet ist, kann eine Quantität von Wassertropfen, die an dem Wassererfassungssensor 1 anhaften, mit hoher Genauigkeit jederzeit erfassen. Wenn das Wassererfassungselement 10 die Adhäsion bzw. Anhaftung von Wassertropfen auf der Grundlage der erfassten Impedanz Z_AC erfasst, ist es möglich, eine elektrische Leistung zu Gassensoren, die in dem Abgasrohr angeordnet sind, zu stoppen, um zu verhindern, dass die Gassensoren durch einen thermischen Schock beschädigt oder zerstört werden. Es ist ferner möglich, die optimale Bedingung zur Verhinderung einer Adhäsion bzw. Anhaftung von Wassertropfen an verschiedene Sensoren zu bestimmen, die für die Entwicklung einer Schutzschicht oder eines Abdeckungsgehäuses eines Gassensorelements verwendet wird.
Das Wassererfassungselement 10 weist eine Form auf, um in geeigneter Weise für einen Gassensor eines Schichttyps verwendet zu werden. Wie es in 1A gezeigt ist, ist das Wassererfassungselement 10 aus einem Festelektrolytkörper 100 einer Plattenform mit einer Dicke ”d”, einem Paar von Wassererfassungselektroden 110 und 120, Isolationsschichten 130, 140 und 160 mit einer Plattenform und einem Erwärmungsabschnitt 150 mit einer Plattenform aufgebaut.
Die Wassererfassungselektrode 110 ist auf einer Oberfläche (als eine erste Oberfläche) des Festelektrolytkörpers 100 ausgebildet, die zu dem Messgas als einem Erfassungsziel freigelegt ist. Die Wassererfassungselektrode 120 ist auf der anderen Oberfläche (als eine zweite Oberfläche) des Festelektrolytkörpers 100 ausgebildet, die zu einem Referenzgas freigelegt ist.
Die Wassererfassungselektrode 110 ist von einem äußeren Umfang hin zu der Innenseite mit einem Abstand W ausgebildet, um eine Fläche S aufzuweisen. Auf ähnliche Weise ist die Wassererfassungselektrode 120 von einem äußeren Umfang hin zu der Innenseite mit einem Abstand W ausgebildet, um die gleiche Fläche S aufzuweisen.
Die Wassererfassungselektrode 110, die auf der ersten Oberfläche des Festelektrolytkörpers 100 ausgebildet ist, ist mit der Isolationsschicht 130 abgedeckt, die eine Plattenform aufweist, die aus einem Isolationskeramikmaterial hergestellt ist.
Demgegenüber sind Isolationsschichten 140 und 160 auf der zweiten Oberfläche des Festelektrolytkörpers 100 ausgebildet. Insbesondere ist der Erwärmungsabschnitt 150 in die Isolationsschichten 140 und 160 eingebettet. Anders ausgedrückt ist der Erwärmungsabschnitt 150 zwischen die Isolationsschichten 140 und 160 eingelegt.
Ferner ist, wie es in 1A gezeigt ist, die Wassererfassungselektrode 110 elektrisch mit den Elektrodenleitungsabschnitten 111 verbunden, und die Wassererfassungselektrode 120 ist elektrisch mit den Elektrodenleitungsabschnitten 121 verbunden. Der Elektrodenleitungsabschnitt 111 ist elektrisch mit einem Elektrodenanschluss 112 verbunden, und der Elektrodenleitungsabschnitt 121 ist elektrisch mit einem Elektrodenanschluss 123 verbunden. Die Wassererfassungselektrode 110 ist elektrisch mit einer Erfassungsschaltung 20 über einen Verbindungsmetallabschnitt 113 und eine Signalleitung 114 verbunden. Die Erfassungsschaltung 20 ist außerhalb des Wassererfassungssensors 1 angeordnet, wie es in 1B gezeigt ist.
Auf ähnliche Weise ist die Wassererfassungselektrode 120 elektrisch mit der außen liegenden Erfassungsschaltung 20 über einen Verbindungsmetallabschnitt 124 und eine Signalleitung 125 verbunden (siehe 2A). Genauer gesagt ist der Elektrodenanschluss 123 elektrisch mit den Elektrodenleitungsabschnitten 121 über einen Durchleiter 122 verbunden, der in einem Durchgangsloch 101 ausgebildet ist.
Wie es in 1B gezeigt ist, ist die Erfassungsschaltung 20 aus einer Wechselstromleistungsquelle (AC-Leistungsquelle) 200, einem Impedanzerfassungsabschnitt 201 und einem Erfassungsbeurteilungsabschnitt 202 aufgebaut.
Der Erfassungsbeurteilungsabschnitt 202 in der Erfassungsschaltung 20 erfasst die Adhäsion bzw. Anhaftung von Wassertropfen auf der Oberfläche des Wassererfassungselements 10. Die elektrische Leistungszufuhr 200 führt der Wassererfassungselektrode 110 und der Wassererfassungselektrode 120 eine elektrische Leistung zu. Der Impedanzerfassungsabschnitt 201 erfasst die Impedanz Z_AC zwischen der Wassererfassungselektrode 110 und der Wasserfassungselektrode 120. Der Erfassungsbeurteilungsabschnitt 202 erfasst, ob Wassertropfen an dem Gassensorelement 10 anhaften oder nicht, auf der Grundlage der Impedanz Z_AC zwischen der Wassererfassungselektrode 110 und der Wassererfassungselektrode 120, die durch den Impedanzerfassungsabschnitt 201 erfasst wird.
Ein konkretes und ausführliches Verfahren zum Erfassen des Auftretens einer Adhäsion bzw. Anhaftung von Wassertropfen an dem Wassererfassungselement wird nachstehend beschrieben.
Ein Ende des Erwärmungsabschnitts 150 ist elektrisch mit einem Leitungsabschnitt 151 und einem Anschlussabschnitt 153 verbunden. Das andere Ende des Erwärmungsabschnitts 150 ist elektrisch mit einem Leitungsabschnitt 152 und einem Anschlussabschnitt 154 verbunden. Der Erwärmungsabschnitt 150 ist elektrisch mit einer elektrischen Leistungszufuhrsteuerungsvorrichtung 30 verbunden, die außerhalb des Wassererfassungssensors 1 angeordnet ist. Genauer gesagt ist der Erwärmungsabschnitt 150 mit der elektrischen Leistungszufuhrsteuerungsvorrichtung 30 über Anschlussmetallabschnitte 155 und 156 und Leiterdrähten 157 und 158 verbunden.
Wie es in 1B gezeigt ist, ist die elektrische Leistungszufuhrsteuerungsvorrichtung 30 aus einer Gleichstromleistungsquelle (DC-Leistungsquelle) 300, einem Schaltelement 301 und einem Schalttreiber 302 aufgebaut. Wenn der Schalttreiber 302 das Schaltelement 301 anweist, geschlossen zu sein, wird die elektrische Leistung der DC-Leistungsquelle 300 dem Erwärmungsabschnitt 150 zugeführt. Beispielsweise ist das Schaltelement 301 aus einem Halbleiterelement aufgebaut, wie beispielsweise einem Leistungsmetalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistor (MOS FET), einem Bipolartransistor mit isolierter Gateelektrode (IGBT) und einem Thylistor.
Der Schalttreiber 302 führt eine Impulsbreitenmodulationssteuerung (PWM-Steuerung) oder eine Impulsfrequenzmodulationssteuerung (PFF-Steuerung) aus, um das Schaltelement 301 so zu steuern, dass der Erwärmungsabschnitt 150 eine Wärmeenergie erzeugt und das Wassererfassungselement 10 auf eine konstante Temperatur erwärmt wird. Das heißt, der Erwärmungsabschnitt 150 erzeugt, wenn er eine elektrische Leistung empfängt, die von der elektrischen Leistungszufuhrsteuerungsvorrichtung 30 zugeführt wird, eine Wärmeenergie, um das Wassererfassungselement 10 auf eine konstante Temperatur zu erwärmen und das Wassererfassungselement 10 bei einer derartigen konstanten Temperatur zu halten. Dies ermöglicht es, eine stabile Erfassungsbedingung bei dem Wassererfassungssensor 1 bereitzustellen, der mit dem Wassererfassungselement 10 ausgestattet ist.
Zusätzlich erfasst das Wassererfassungselement 10 gemäß dem ersten beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung eine schnelle Änderung der Impedanz, die erzeugt wird, indem thermische Energie von der Oberfläche des Wassererfassungselements 10 absorbiert wird, die mit den Isolationsschichten 130 und 160 bedeckt ist, die eine hohe thermische Leitfähigkeit und einen dichten Aufbau aufweisen, wenn Wassertropfen an der Oberfläche des Wassererfassungselements 10 anhaften. Aus diesem Grund hat, auch wenn brennbares Material, wie beispielsweise Ruß, auf der Oberfläche des Wassererfassungselements 10 angesammelt wird, dies keinen Einfluss auf irgendein Erfassungsergebnis des Wassererfassungselements 10.
Eine lange Verwendung des Wassererfassungselements 10 vergrößert jedoch die Menge von Ruß auf den Wassererfassungselektroden, und es wird schwierig für die Isolationsschichten 130 und 160, die gleiche thermische Leitfähigkeit aufrecht zu erhalten. Dies beeinflusst signifikant das Erfassungsergebnis des Wassererfassungselements 10. Um den Nachteil zu vermeiden, ist es notwendig, eine Temperatur des Erwärmungsabschnitts 150 zu vergrößern, um das brennbare Material, wie beispielsweise Ruß, der auf der Oberfläche des Wassererfassungselements 10 angesammelt ist, zu verbrennen. Dies ermöglicht es, das angesammelte brennbare Material von der Oberfläche des Wassererfassungselements 10 zu beseitigen. Diese Steuerung stellt ein Wassererfassungselement 10 bereit, das in der Lage ist, korrekte Erfassungsergebnisse mit hoher Genauigkeit für eine lange Zeitdauer auszugeben.
Der Festelektrolytkörper 100 ist aus teilweise stabilisiertem Zirkoniumdioxid hergestellt und in einer Plattenform mit einer konstanten Dicke d durch ein Doctor-Blade-Verfahren bzw. Rakelklingenverfahren ausgebildet. Das teilweise stabilisierte Zirkoniumdioxid wird durch Hinzufügen von Yttrium zu Zirkoniumdioxid gemacht.
Die Wassererfassungselektroden 110 und 120 sind aus Pt usw. hergestellt, die allgemein bekannt sind. Die Wassererfassungselektroden 110 und 120 werden auf der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche des Festelektrolytkörpers 100 durch ein bekanntes Verfahren, wie beispielsweise einem Dickschichtdruckverfahren, gebildet.
Um eine Wassererfassungsfläche zu haben, die so groß wie möglich ist, wird die Wassererfassungselektrode 110 auf der Oberfläche des Festelektrolytkörpers 100 ausgebildet, die zu dem Messgas, wie beispielsweise dem Abgas, freigelegt ist. Das heißt, die Wassererfassungselektrode 110 weist einen konstanten Isolationsabstand W auf, der von dem Außenumfang des Festelektrolytkörpers 100 gemessen wird, wobei sie kleiner als die Breite des Festelektrolytkörpers 100 ausgebildet ist. Ähnlich zu der Wassererfassungselektrode 110 wird, um eine Wassererfassungsfläche zu haben, die so groß wie möglich ist, die Wassererfassungselektrode 120 auf der anderen Oberfläche des Festelektrolytkörpers 100 ausgebildet, die zu einem Referenzgas, wie beispielsweise Luft, freigelegt ist. Das heißt, die Wassererfassungselektrode 120 weist einen konstanten Isolationsabstand W auf, der von dem Außenumfang des Festelektrolytkörpers 100 gemessen wird, wobei sie kleiner als die Breite des Festelektrolytkörpers 100 ausgebildet ist.
Insbesondere wird eine elektrostatische Kapazität C zwischen der Wassererfassungselektrode 110 und der Wassererfassungselektrode 120 zu ε·S/d, wobei ”S” eine Fläche jeder der Wassererfassungselektroden 110 und 120 ist, ”d” eine Dicke des Festelektrolytkörpers 100 angibt und ε eine Dielektrizitätskonstante angibt.
Wie es vorstehend beschrieben ist, zeigt das erste beispielhafte Ausführungsbeispiel einen Wassererfassungssensor 1 mit den Wassererfassungselektroden 110 und 120, die auf beiden Oberflächen des Festelektrolytkörpers 100 ausgebildet sind, der aus einem Festelektrolytmaterial hergestellt ist, um ihn als einen Gassensor eines Schichtaufbautyps zu verwenden, wie beispielsweise ein Sauerstoffsensor. Das Konzept der vorliegenden Erfindung ist jedoch nicht durch ein derartiges Material begrenzt. Beispielsweise ist es möglich, ein anderes Material, wie beispielsweise ein dielektrisches Material und ein Isolationsmaterial, zu verwenden, solange es eine Wärmebeständigkeit gegenüber einer hohen Temperaturbedingung innerhalb eines Bereichs von mehreren hundert bis 1000°C aufweist und in der Lage ist, seine Impedanz zu ändern und ein erfassbares elektrisches Signal auszugeben, wenn eine zugehörige Temperatur leicht verändert wird.
Insbesondere ist die Wassererfassungselektrode 110 mit den Isolationsschichten 130 bedeckt, die eine Plattenform aufweisen, um die Wassererfassungselektrode 110 vollständig von einem Abgas als das Messgas zu isolieren.
Demgegenüber ist die Wassererfassungselektrode 120 mit den Isolationsschichten 140 bedeckt, die eine Plattenform aufweisen, um die Wassererfassungselektrode 120 vollständig von dem Erwärmungsabschnitt 150 zu isolieren.
Der Erwärmungsabschnitt 150 ist mit den Isolationsschichten 140 und 160 bedeckt, nämlich zwischen den zusammengesetzten Isolationsschichten 140 und 160 eingelegt, um den Erwärmungsabschnitt 150 vollständig von dem Messgas zu isolieren.
Jede der Isolationsschichten 130, 140 und 160 ist aus einem Isolationskeramikmaterial, beispielsweise Aluminiumoxid, hergestellt, das eine überdurchschnittliche elektrische Isolierung und eine hohe thermische Leitfähigkeit aufweist. Die Isolationsschichten 130, 140 und 160 werden durch ein bekanntes Verfahren, wie beispielsweise einem Rakelklingenverfahren bzw. Doctor-Blade-Verfahren, gebildet, um eine Plattenform aufzuweisen.
Der Erwärmungsabschnitt 150 ist aus einem bekannten Widerstandsmaterial, wie beispielsweise Platin, Gold, Rutheniumoxid, Molybdän-Disilizid, Wolfram usw., unter Verwendung eines bekannten Dickschichtdruckverfahrens hergestellt. Der Erwärmungsabschnitt 150 ist in einem vorbestimmten Muster, wie es in 1B gezeigt ist, zwischen den Isolationsschichten 140 und 160 ausgebildet, um die gesamte Fläche der Wassererfassungselektroden 110 und 120 zu erwärmen.
Die Elektrodenleitungsabschnitte 111 und 112 und die Leitungsabschnitte 151 und 152 sind aus einem leitfähigen Material, wie beispielsweise Platin, das bekannt ist, hergestellt und durch ein bekanntes Dickschichtdruckverfahren ausgebildet.
Der Durchleiter 122 ist aus einem bekannten leitfähigen Material, wie beispielsweise Platin, hergestellt und durch ein Durchgangslochdruckverfahren ausgebildet, die bekannt sind.
Die Elektrodenanschlüsse 112 und 123 und die Anschlussabschnitte 153 und 154 sind aus einer bekannten Leiterpaste, wie beispielsweise Platin, hergestellt und durch ein bekanntes Dickschichtdruckverfahren ausgebildet.
Es ist akzeptabel, eine leitfähige Paste zu verwenden, die eine geringere Menge von Aluminiumoxid oder Zirkoniumdioxid enthält, um die Adhäsionsstärke zu vergrößern und um eine verbesserte Abnutzungsbeständigkeit zu haben. Dies ermöglicht es, die Haltbarkeit der Elektrodenanschlüsse 112, 123 und der Anschlussabschnitte 153 und 154 zu vergrößern.
Das Wassererfassungselement 10 gemäß dem ersten beispielhaften Ausführungsbeispiel ist beispielsweise in einem Abgasrohr in einem Abgassystem für eine Brennkraftmaschine angeordnet.
Das Wassererfassungselement 10 weist zumindest den Festelektrolytkörper 100 und ein Paar der Wassererfassungselektroden 110 und 120 auf. Das Wassererfassungselement 10 ist in einem Messgas angeordnet. Der Festelektrolytkörper 100 ist aus einem bekannten Festelektrolytmaterial, wie beispielsweise teilweise stabilisiertem Zirkoniumdioxid, in das Yttrium hinzugefügt ist, hergestellt, das eine Ionenleitfähigkeit bei einem spezifischen Ion aufweist, wie beispielsweise einem Sauerstoffion.
Die Wassererfassungselektrode 110 weist eine vorbestimmte Fläche S auf, die auf einer Oberfläche des Festelektrolytkörpers 100 ausgebildet ist, der eine vorbestimmte Dicke ”d” aufweist. Auf ähnliche Weise weist die Wassererfassungselektrode 120 eine vorbestimmte Fläche S auf, die auf der anderen Oberfläche des Festelektrolytkörpers 100 ausgebildet ist.
Es ist möglich, die Adhäsion bzw. Anhaftung von Wassertropfen, die an dem Wassererfassungselement 10 anhaften, auf der Grundlage einer Änderung einer Impedanz Z_AC der Wassererfassungselektroden 110 und 120 zu erfassen. Das Wassererfassungselement 10 weist den Erwärmungsabschnitt 150 auf, der eine Wärmeenergie erzeugt, wenn er eine elektrische Leistung empfängt. Das Paar der Wassererfassungselektroden 110 und 120 wird durch die Wärmeenergie erwärmt, die durch den Erwärmungsabschnitt 150 erzeugt wird. Das Wassererfassungselement 10 weist ferner die Isolationsschicht 130 auf, die aus Isolationskeramik als ein dichtes Material hergestellt ist, das eine hohe elektrische Isolierung und eine hohe thermische Leitfähigkeit aufweist.
Zumindest eine der Wassererfassungselektroden 110 und 120, nämlich die Wassererfassungselektrode 110, die zu dem Messgas freigelegt ist, ist mit der Isolationsschicht 130 bedeckt, um die Wassererfassungselektrode 110 vollständig von dem Messgas zu isolieren.
Wie es in 2A gezeigt ist, ist der Wassererfassungssensor 1 gemäß dem ersten beispielhaften Ausführungsbeispiel mit dem Wassererfassungselement 10, einem Isolator 40 und einer Gehäusehülle 50 ausgestattet. Der Isolator 40 ist aus einem Isolationsmaterial hergestellt, wie beispielsweise Aluminiumoxid. Das Wassererfassungselement 10 ist in dem Wassererfassungssensor über den Isolator 40 angeordnet. Der Wassererfassungssensor 1 ist an einem Gasrohr über die Gehäusehülle 50 fixiert. Das Messgas strömt in das Gasrohr. Das heißt, wie es in 2A gezeigt ist, ein Frontabschnitt des Wassererfassungssensors 1 gemäß dem ersten beispielhaften Ausführungsbeispiel ist in der Strömung des Messgases angeordnet. Der Frontabschnitt des Wassererfassungssensors 1 ist gegen Beschädigungen durch Abdeckungsgehäuse 60 und 61 geschützt, die einen geschlossenen Bodenabschnitt mit Öffnungslöchern aufweisen.
Weiter weist der Wassererfassungssensor 1 das Paar der Signalleitungen 114 und 125, das Paar der Verbindungsmetallabschnitte 113 und 124, das Paar der Leiterdrähte 157 und 158 und das Paar der Anschlussmetallabschnitte 155 und 156 auf, die bei der Distalendseite des Wassererfassungssensors 1 ausgebildet sind. Die Signalleitungen 114 und 125 sind elektrisch mit dem Wassererfassungselement 10 verbunden.
Weiterhin weist der Wassererfassungssensor 1 einen Isolator 41 auf, der aus einem elektrischen Isolationskeramikmaterial, wie beispielsweise Aluminiumoxid, hergestellt ist, und er weist eine zylindrische Form mit einem geschlossenen Bodenabschnitt auf. Das Paar der Signalleitungen 114 und 125, das Paar der Verbindungsmetallabschnitte 113 und 124, das Paar der Leiterdrähte 157 und 158 und das Paar der Anschlussmetallabschnitte 155 und 156 werden durch den Isolator 41 gehalten und geschützt.
Der Wassererfassungssensor 1 weist ferner ein Gehäuse 70 mit einer zylindrischen Form auf, um den Distalendabschnitt des Wassererfassungssensors 1 durch ein Dichtungselement 43 luftdicht abzudichten.
Der Verbindungsmetallabschnitt 113 hat ferner die Erfassungsschaltung 20, die elektrisch mit den Signalleitungen 114 und 125 verbunden ist, und die elektrische Leistungszufuhrsteuerungsvorrichtung 30, die den Leiterdrähten 157 und 158 eine elektrische Leistung zuführt, durch die die elektrische Leistung dem Erwärmungsabschnitt 150 zugeführt wird.
Wie es in 2A gezeigt ist, wird das Wassererfassungselement 10 in ein Durchdringungsloch 401 eingeführt, das in dem Isolator 40 ausgebildet ist. Das Wassererfassungselement 10 ist an der Innenseite des Durchdringungsloches 401 des Isolators 40 durch ein Dichtungselement 402, wie beispielsweise Keramikzement, Wärmewiderstandsglas oder wärmebeständiger Kleber, fixiert. Das heißt, das Wassererfassungselement 10 ist in der Gehäusehülle 50 mit dem Isolator 40 untergebracht, sodass der Frontabschnitt des Wassererfassungselements 10 zu dem Messgas freigelegt ist.
Wie es in 2A gezeigt ist, ist ein Abschnitt mit verringertem Durchmesser 402 an einem Außenumfang des Isolators 40 ausgebildet. Das heißt, der Isolator 40 weist den Abschnitt mit verringertem Durchmesser 402 auf, dessen Durchmesser allmählich als eine konische Form hin zu dem Frontabschnitt des Wassererfassungselements 10 verkleinert wird. Der Abschnitt mit verringertem Durchmesser 402 wird durch einen Anschlagabschnitt 505 über ein Dichtungselement 421, wie beispielsweise eine Metalldichtung, gestoppt. Der Anschlagabschnitt 505 ist in der Innenseite der Gehäusehülle 50 ausgebildet. Das heißt, der Anschlagabschnitt 505 ist in dem verringerten Innendurchmesser der Gehäusehülle 50 ausgebildet.
Der Frontabschnitt der Gehäusehülle 50 ist mit den Abdeckungsgehäusen 60 und 61 abgedeckt, die eine zylindrische Form mit geschlossenem Bodenabschnitt aufweisen, der Öffnungslöcher aufweist, um das Wassererfassungselement 10 zu schützen. Flanschabschnitte 604 und 614, die bei dem Distalende der Gehäusehülle 50 ausgebildet sind, werden durch einen Festmachabschnitt 503 festgemacht und fixiert.
Wie es in 2A gezeigt ist, ist ein Schraubenabschnitt 502 auf dem Außenumfang bei der Frontseite der Gehäusehülle 50 ausgebildet. Der Schraubenabschnitt 502 des Wassererfassungssensors 1 wird an ein Erfassungszielrohr, durch das ein Messgas 800, wie beispielsweise ein Abgas, strömt, angeschraubt und fixiert, sodass der Frontabschnitt des Wassererfassungselements 10 dem Messgas 800 ausgesetzt ist.
Jedes der Abdeckungsgehäuse 60 und 61 weist eine zylindrische Form mit einem geschlossenen Bodenabschnitt auf. Die Abdeckungsgehäuse 60 und 61 bilden eine Doppelstruktur, bei der das Abdeckungsgehäuse 61 in die Innenseite des Abdeckungsgehäuses 610 eingefügt und eingepasst ist. Die Abdeckungsgehäuse 60 und 61 sind mit der Außenseite des Wassererfassungssensors 1 durch eine Vielzahl von Öffnungslöchern 601, 603, 611 und 613 verbunden, die in den Seitenoberflächen 600, 610 der Abdeckungsgehäuse 60 und 61 und die geschlossenen Bodenabschnitte 602 und 612 der Abdeckungsgehäuse 60 und 61 ausgebildet sind. Das Vorhandensein der Öffnungslöcher 601, 603, 611 und 613 ermöglicht es, die Strömungsrate des Messgases einzustellen. Durch die Öffnungslöcher 601, 603, 611 und 613 wird das Messgas in die Innenseite des Wassererfassungselements 1 eingebracht und von dem Wassererfassungselement 10 ausgestoßen. Das heißt, die Abdeckungsgehäuse 60 und 61 erlauben, dass das Messgas in die Innenseite des Wassererfassungssensors 1 eingebracht wird, und schützen das Wassererfassungselement 1 vor einem Zusammenstoß mit Fremdkörpern.
Das Gehäuse 70 ist aus einem Metallmaterial, wie beispielsweise Edelstahl, hergestellt. Das Gehäuse 70 weist eine zylindrische Form auf und ist in einen Ansatzabschnitt 506 eingefügt, der bei dem Distalendabschnitt der Gehäusehülle 50 ausgebildet ist, sodass der Distalendabschnitt der Gehäusehülle 50 mit dem Gehäuse 70 abgedeckt wird.
Das Gehäuse 70 bringt das Paar der Elektrodenanschlüsse 112 und 123, die Verbindungsmetallabschnitte 113, 124, 155 und 156, das Paar der Signalleitungen 114 und 125, das Paar der Leiterdrähte 157 und 158 und den Isolator 41 unter. Die Elektrodenanschlüsse 112 und 123 sind zu dem Distalende des Wassererfassungselements 10 geführt. Die Verbindungsmetallabschnitte 113, 124, 155 und 156 sind elektrisch mit den Anschlussabschnitten 153 und 154 des Erwärmungsabschnitts 150 verbunden. Durch das Paar der Signalleitungen 114 und 125 gibt das Wassererfassungselement 10 Erfassungssignale als Erfassungsergebnisse an externe Vorrichtungen aus, wie beispielsweise an die Erfassungsschaltung 20 des Wassererfassungssensors 1. Eine externe Vorrichtung, wie beispielsweise die elektrische Leistungszufuhrsteuerungsvorrichtung 30, führt dem Erwärmungsabschnitt 150 durch die Leiterdrähte 157 und 158 eine elektrische Leistung zu. Der Isolator 41 isoliert das Paar der Elektrodenanschlüsse 112 und 123, die Verbindungsmetallabschnitte 113, 124, 155 und 156, das Paar der Signalleitungen 114 und 125 und das Paar der Leiterdrähte 157 und 158 von externen Bauelementen und Vorrichtungen.
Die Signalleitungen 114 und 125 und die Leiterdrähte 157 und 158 werden zu den externen Vorrichtungen durch das Distalende des Gehäuses 70 geführt. Das Distalende des Gehäuses ist vollständig durch das Dichtungselement 43, wie beispielsweise ein elastisches Element, beispielsweise wärmeresistenter Gummi, Silizium oder Silikon, abgedichtet.
Der Wassererfassungssensor 1, der mit dem Wassererfassungselement 10 gemäß dem ersten beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ausgestattet ist, unterscheidet sich von Gassensoren, wie beispielsweise einem Sauerstoffsensor. Beispielsweise ist es für den Wassererfassungssensor 1 nicht erforderlich, irgendein Referenzgas, wie beispielsweise Luft, zu verwenden, d. h. irgendein Referenzgas einzuführen. Der Wassererfassungssensor 1 weist keine Einführlöcher auf, durch die Luft als das Referenzgas eingeführt wird, und verendet keinen wasserabweisenden Filter. Es ist für den Wassererfassungssensor 1 möglich, das Distalende des Wassererfassungssensors 1 mit einer luftdichten Bedingung vollständig abzudichten.
Es ist jedoch für das Gehäuse 70 erforderlich, ein kleines Loch oder eine Ausdehnung und einen Konstruktionsabschnitt aufzuweisen, der sich elastisch ausdehnt und zusammenzieht, um die Änderung des Volumens der Luft in dem Gehäuse 70 des Wassererfassungssensors 1 zu justieren, wenn die Luft durch Wärmeenergie, die durch den Erwärmungsabschnitt 150 in dem Wassererfassungselement 10 erzeugt wird, ausgedehnt oder komprimiert wird.
Wie es in 2A und 2B gezeigt ist, weist jede der Wassererfassungselektroden 110, 120 und der Erwärmungsabschnitt 150 einen weiten Bereich bzw. eine weite Fläche in der Wassererfassungsfläche des Wassererfassungselements 10 auf, der zu dem Messgas freigelegt ist. Dieser Aufbau ermöglicht es, einen weiten Frontbereich bzw. eine weite Frontfläche des Wassererfassungselements 10 zu verwenden, wie es durch eine abwechselnd lang und kurz gestrichelte Linie A gezeigt ist, die in 1A angegeben ist. Auch wenn Wassertropfen an irgendeinem Teil des Frontabschnitts des Wassererfassungselements 10 anhaften, der durch die abwechselnd lang und kurz gestrichelte Linie A angezeigt ist, ist es möglich, die Adhäsion bzw. Anhaftung von Wassertropfen an dem Wassererfassungselement auf der Grundlage der erfassten Änderung der Impedanz zeitnah zu erfassen.
Ferner ist es möglich, eine Quantität der erfassten Wassertropfen auf der Grundlage der erfassten Änderung der Impedanz zu berechnen.
Das Konzept der vorliegenden Erfindung ist nicht durch den Aufbau des Isolators 40 und 41, der Gehäusehülle 50, des Gehäuses 70, der Abdeckungsgehäuse 60 und 61, die vorstehend beschrieben sind, begrenzt. Es ist möglich, den Isolator 40 und 41, die Gehäusehülle 50, das Gehäuse 70, die Abdeckungsgehäuse 60 und 61 auszubilden, um einen bekannten Aufbau zu haben.
Nachstehend wird eine Beschreibung der Merkmale und Aktionen des Wassererfassungselements 10 gemäß dem ersten beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf 3A bis 4B angegeben.
3A ist eine Darstellung, die eine Temperaturbedingung des Wassererfassungselements 10 zeigt, das in dem Wassererfassungssensor 1 gemäß dem ersten beispielhaften Ausführungsbeispiel verwendet wird. 3B ist eine Darstellung, die die Änderung in einer Impedanzantwort des Wassererfassungselements 10 entsprechend der Änderung der zugehörigen Temperatur, die in 3A gezeigt ist, zeigt. 3C zeigt eine Darstellung, die die Impedanzkennlinie des Wassererfassungselements 10 in dem Wassererfassungssensor 1 gemäß dem ersten beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt. 3D zeigt eine Darstellung, die eine Ersatzschaltung des Wassererfassungselements 1 gemäß dem ersten beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt. 4A zeigt eine Darstellung, die die Ausgangskennlinie des Wassererfassungssensors 1 zeigt, wenn der Wassererfassungssensor 1, der mit dem Wassererfassungselement 10 ausgestattet ist, die Adhäsion bzw. Anhaftung von Wassertropfen erfasst. 4B zeigt eine Darstellung, die eine Ausgangskennlinie des Wassererfassungssensors 1 zeigt, wenn Abgas als ein Messgas dem Wassererfassungssensor 1 zugeführt wird, um die gleiche Impedanzänderung zu haben, wenn Wassertropfen an dem Wassererfassungselement 10 anhaften.
Wie es in 3A gezeigt ist, wird die Temperatur des Wassererfassungselements 10 innerhalb eines Bereichs von 450°C bis 950°C verändert, indem die elektrische Leistung, die dem Erwärmungsabschnitt 150 zugeführt wird, eingestellt wird. Wenn die AC-Leistungsquelle 200 die elektrische Wechselstromleistung einer vorbestimmten Frequenz dem Erwärmungsabschnitt 150 zuführt, erfasst die Erfassungsschaltung 20 eine Änderung der Impedanz des Wassererfassungselements 10. Das heißt, wie es in 3B gezeigt ist, je höher die Temperatur des Wassererfassungselements 10 ist, desto niedriger ist die Impedanz Z_AC des Wassererfassungselements 10. Demgegenüber gilt, dass je niedrieger die Temperatur des Wassererfassungselements 10 ist, desto höher ist die Impedanz Z_AC des Wassererfassungselements 10.
Wie es in 3C gezeigt ist, wird die Temperaturkennlinie der Impedanz Z_AC des Wassererfassungselements 10 exponentiell geändert.
Wie es in 3D gezeigt ist, ist es möglich, eine Ersatzschaltung des Wassererfassungselements 10 zu haben, in der ein Verdrahtungswiderstand R, eine parasitäre Induktanz L und eine Kapazität C in Reihe geschaltet sind, wobei der Verdrahtungswiderstand R eine Gesamtsumme der Verdrahtungswiderstände der Elektrodenleitungsabschnitte 111 und 121, des Durchleiters 122, der Elektrodenanschlüsse 112 und 123, der Verbindungsmetallabschnitte 113 und 124 und der Signalleitungen 114 und 124 ist, die parasitäre Induktanz L eine parasitäre Induktanz der Elektrodenleitungsabschnitte 111 und 121, des Durchleiters 122, der Elektrodenanschlüsse 112 und 123, der Verbindungsmetallabschnitte 113 und 124 und der Signalleitungen 114 und 124 ist und die Kapazität C eine Kapazität des Erfassungsabschnitts ist, der aus den Wassererfassungselektroden 110, 120 und dem Festelektrolytkörper 100 aufgebaut ist.
Eine synthetisierte Impedanz |Z_AC| der Ersatzschaltung, die in 3D gezeigt ist, kann durch |T_AC| = √{R^2 + (ωL – 1/ωC)^2} dargestellt werden.
Je höher die Temperatur des Wassererfassungselements 10 ist, desto niedriger ist der Verdrahtungswiderstand R, und je niedriger die Temperatur des Wassererfassungselements 10 ist, desto höher ist der Verdrahtungswiderstand R. Die parasitäre Induktanz L wird nur gering durch die Änderung der Temperatur des Wassererfassungselements 10 beeinflusst.
Die Kapazität C des Erfassungsabschnitts, der aus den Wassererfassungselektroden 110, 120 und dem Festelektrolytkörper 100 aufgebaut ist, wird durch die Dielektrizitätskonstante ε des Festelektrolytkörpers 100 und dem Abstand zwischen den Wassererfassungselektroden 110 und 120 bestimmt, d. h. durch die Dicke d des Festelektrolytkörpers 100 und die Fläche S der Wassererfassungselektroden 110, 120 bestimmt. Das heißt, die Beziehung gemäß C = ε·S/d ist erfüllt.
Weiterhin weist die Dielektrizitätskonstante ε des Festelektrolytkörpers 100 eine Temperaturabhängigkeitskennlinie auf, in der gilt, dass je höher die Temperatur ist, desto höher ist die Dielektrizitätskonstante ε des Festelektrolytkörpers 100, und je niedriger die Temperatur ist, desto niedriger wird die Dielektrizitätskonstante ε des Festelektrolytkörpers 100 innerhalb eines vorbestimmten Temperaturbereichs.
Als Ergebnis kann, wie es in 3C gezeigt ist, die Impedanz Z_AC des Wassererfassungselements 10 durch den Ausdruck Z_AC = A exp (–BT) ausgedrückt werden, wobei T eine Temperatur (°C) ist und A und B Koeffizienten angeben, die durch eine Größe des Wassererfassungselements 10, eine Länge einer Verdrahtung und eine Dielektrizitätskonstante ε des Wassererfassungselements 10 geändert werden. Wie es aus 3C ersichtlich ist, gilt, dass je höher die Temperatur des Wassererfassungselements 10 ist, desto niedriger ist die Impedanz Z_AC des Wassererfassungselements 10, je niedriger die Temperatur ist, desto höher wird die Impedanz Z_AC des Wassererfassungselements 10.
In dem ersten beispielhaften Ausführungsbeispiel weist das Wassererfassungselement 10 einen Näherungswert der Impedanz von Z_AC = 21892 exp (–0,0079 T) auf.
Dementsprechend ist es, wenn die Temperatur des Erwärmungsabschnitts 150 bei einem konstanten Wert eingestellt ist, für die Erfassungsschaltung 20 möglich, die Impedanz Z_AC des Wassererfassungselements 10 zu erfassen, die von einer Temperatur des Wassererfassungselements 10 abhängt.
Wenn Wassertropfen auf der Oberfläche des Wassererfassungselements 10 anhaften, wird der Teil des Wassererfassungselements 10, an dem Wassertropfen anhaften, durch eine Verdampfungswärme der Wassertropfen gekühlt. Dies ändert den Wert der Impedanz Z_AC des Wassererfassungselements 10.
Wenn der Wassererfassungssensor 1, der mit dem Wassererfassungselement 10 ausgestattet ist, in der Strömung eines Messgases angeordnet ist, erfasst die Erfassungsschaltung 20 eine Änderung der Impedanz Z_AC des Wassererfassungselements 10, während der Erwärmungsabschnitt 150 auf eine vorbestimmte Temperatur erwärmt ist. Als Ergebnis ist es für die Erfassungsschaltung 20 möglich, die Adhäsion bzw. Anhaftung von Wassertropfen an dem Wassererfassungselement 10 auf der Grundlage der erfassten Änderung der Impedanz Z_AC des Wassererfassungselements 10 zu erfassen.
Nachstehend wird eine Beschreibung einer Differenz in einer Ausgabe des Wassererfassungselements 10 zwischen den nachstehend genannten Bedingungen (x) und (y) angegeben:
(x) wenn eine Strömungsgeschwindigkeit und eine Temperatur des Messgases verändert werden, und
(y) wenn Wassertropfen an dem Wassererfassungselement 10 anhaften.
Wie es in 4A gezeigt ist, wird unter einer Bedingung, bei der das Wassererfassungselement 10 eine Erfassungstemperatur von 730°C aufweist und eine erfasste Impedanz Z_AC des Wassererfassungselements 10 näherungsweise 65 Ω ist, wenn Wassertropfen von 0,1 μl auf das Wassererfassungselement 10 getropft werden, die Impedanz Z_AC des Wassererfassungselements 10 zeitnah um näherungsweise 6 Ω vergrößert, wobei nach einer kurzen Zeitdauer, beispielsweise nach 2 Sekunden, die Impedanz Z_AC des Wassererfassungselements 10 zu einer zugehörigen vorangegangenen oder ursprünglichen Temperatur von näherungsweise 65 Ω zurückkehrt.
Dies bedeutet, dass, wenn Wassertropfen an der Oberfläche einer Hochtemperaturoberfläche des Wassererfassungselements 10 anhaften, die durch den Erwärmungsabschnitt 150 erwärmt wird, eine Temperatur des Teils des Wassererfassungselements 10, an dem die Wassertropfen anhaften, um eine große Verdampfungswärme der Wassertropfen verkleinert wird und die Impedanz des Teils etwas vergrößert wird. Als Ergebnis weist die Gesamtheit des Wassererfassungselements 10 einen Zustand auf, bei dem Hochimpedanzteile in Reihe geschaltet sind. Dies ermöglicht es, die Impedanz Z_AC des Wassererfassungselements 10 zu vergrößern. Die Wassertropfen werden jedoch zeitnah verdampft, woraufhin, da keine Wassertropfen auf dem Wassererfassungselement 10 vorhanden sind, die Temperatur des Wassererfassungselements 10 nicht länger verkleinert wird und die Temperatur des Wassererfassungselements 10 zu der vorangegangenen Temperatur innerhalb einer relativ kurzen Zeit zurückkehrt. Als Ergebnis ist es, wie es in 4A gezeigt ist, für die Erfassungsschaltung 20 möglich, eine große Änderung der Impedanz Z_AC des Wassererfassungselements 10 innerhalb einer kurzen Zeit zu erfassen.
Demgegenüber wird, wenn die Strömungsgeschwindigkeit des Messgases verändert wird oder wenn die Temperatur des Messgases verändert wird, eine Temperatur des Wassererfassungselements 10 entsprechend einer Differenz in der Temperatur zwischen dem Messgas und dem Wassererfassungselement 10 verändert. Da jedoch das Messgas eine kleine Dichte und eine kleine endotherme Energiemenge im Vergleich mit denen einer Dichte einer Flüssigkeit aufweist, wird die Temperatur des Wassererfassungselements 10 langsam verändert.
Wie es in 4B gezeigt ist, werden, wenn beispielsweise die Erfassungstemperatur 730°C ist und die erfasste Impedanz näherungsweise 65 Ω wird, die Strömungsgeschwindigkeit und die Temperaturänderung des Messgases so eingestellt, dass das Wassererfassungselement 10 die gleiche Impedanz ausgibt, die erhalten wird, wenn Wassertropfen an dem Wassererfassungselement 10 anhaften. In diesem Fall wird, wenn Luft einer hohen Strömungsgeschwindigkeit oder Luft einer niedrigen Temperatur das Wassererfassungselement 10 anbläst, um das Wassererfassungselement 10 zu kühlen und die Impedanz des Wassererfassungselements 10 um näherungsweise 4 Ω zu vergrößern, die Impedanz Z_AC des Wassererfassungselements 10 allmählich auf den vorangegangenen Wert nach näherungsweise 14 Sekunden verkleinert.
Wenn die Impedanz Z_AC des Wassererfassungselements 10 durch die Änderung der Strömungsgeschwindigkeit des Messgases oder die Änderung der Temperaturänderung des Messgases verändert wird, wird, da das Messgas eine kleine endothermische Energiemenge aufweist, die Impedanz Z_AC des Wassererfassungselements 10 langsam vergrößert im Vergleich zu der, die erhalten wird, wenn Wassertropfen an dem Wasserfassungselement 10 anhaften. Wenn jedoch eine große Impedanzänderung in dem Wassererfassungselement 10 durch die Änderung der Strömungsgeschwindigkeit des Messgases oder die Änderung der Temperaturänderung des Messgases auftritt, braucht es, da das gesamte Wassererfassungselement 10 abgekühlt wird, eine lange Zeitdauer, um zu der vorherigen Temperatur des Wassererfassungselements 10 zurückzukehren, im Vergleich mit einer Zeitdauer, um zu der vorangegangenen oder ursprünglichen Temperatur zurückzukehren, wenn Wassertropfen an dem Wassererfassungselement 10 anhaften.
Gemäß der vorliegenden Erfindung beurteilt die Erfassungsschaltung 20 das Auftreten einer Adhäsion bzw. Anhaftung von Wassertropfen an dem Wassererfassungselement 10, wenn die nachstehend genannten Bedingungen (a) und (b) erfasst werden, wenn der Erwärmungsabschnitt 150 Wärmeenergie erzeugt und das Wassererfassungselement 10 bei einer vorbestimmten Temperatur T hält und ein Wechselstrom mit einer vorbestimmten Frequenz dem Paar der Wassererfassungselektroden 110 und 120 des Wassererfassungselements 10 zugeführt wird:

(a) ein Änderungswert dZ_AC/dt einer Impedanz pro Einheitszeit überschreitet einen vorbestimmten Änderungsschwellenwert ΔZ_REF, und
(b) eine Zeitlänge ΔT (= T_JDC – T_P) ist kürzer als ein vorbestimmter Rückkehrzeitschwellenwert T_REF, wobei die Zeitlänge ΔT von einer Zeit, wenn die Impedanz Z_AC den maximalen Wert Zp erreicht, zu einer Zeit gezählt wird, wenn die Impedanz Z_AC nicht größer als der vorbestimmte Rückkehrzeitschwellenwert T_REF wird.

In einem konkreten Beispiel, wenn unter einer Bedingung, bei der die Impedanz Z_AC des Wassererfassungselements 10 bei einer Messtemperatur (°C) konstant ist, nicht weniger als eine vorbestimmte Änderung in der Impedanz Z_AC erfasst wird, wird eine Impedanz Z_AC des Wassererfassungselements 10 bei einer Messzeit nach einer vorbestimmten Zeitlänge T_JUD mit dem vorbestimmten Wellenwert Z_REF verglichen, wobei die vorbestimmte Zeitlänge T_JUD von einer ersten Zeit, wenn die erfasste Impedanz Z_AC des Wassererfassungselements 10 den maximalen Impedanzwert aufweist, zu einer Zeit gezählt wird, wenn die vorbestimmte Zeitlänge T_JUD nach der ersten Zeit abgelaufen ist.
Wie es in 4A gezeigt ist, wird, wenn die erfasste Impedanz Z_AC bei der Messzeit nach der vorbestimmten Zeitlänge T_JUD kleiner als der vorbestimmte Schwellewert Z_REF ist, beurteilt, dass Wassertropfen an dem Wassererfassungselement 10 anhaften.
Demgegenüber wird, wie es in 4B gezeigt ist, wenn die erfasste Impedanz Z_AC bei der Messzeit nach der vorbestimmten Zeitlänge T_JUD größer als der vorbestimmte Schwellenwert Z_REF ist, beurteilt, dass die Änderung der Impedanz Z_AC des Wassererfassungselements 10 durch die Änderung einer Strömungsgeschwindigkeit des Messgases oder die Änderung in einer Temperatur des Messgases verursacht wird. Es ist folglich für den Wassererfassungssensor 1 und das Verfahren gemäß dem ersten beispielhaften Ausführungsbeispiel möglich, die Adhäsion bzw. Anhaftung von Wassertropfen an dem Wassererfassungselement 10 mit hoher Genauigkeit zu erfassen.
In dem Aufbau des Wassererfassungselements 10 gemäß dem ersten beispielhaften Ausführungsbeispiel wird erfasst, dass innerhalb von 2 Sekunden, wenn Wassertropfen an dem Wassererfassungselement 10 anhaften, die Impedanz des Wassererfassungselements 10 um näherungsweise 6 Ω vergrößert und anschließend verkleinert wird.
Demgegenüber wird, wenn ein Messgas auf das Wassererfassungselement 10 bläst, erfasst, dass die Impedanz des Wassererfassungselements 10 um näherungsweise 4 Ω innerhalb von 2 Sekunden vergrößert wird und dann zu der ursprünglichen Impedanz nach 12 Sekunden verkleinert wird.
Dementsprechend wird die Messzeit nach 5 Sekunden nach der Zeit erfasst, wenn das Wassererfassungselement 10 die maximale Impedanz bei der Spitzenzeit T_P ausgibt, und wenn der vorbestimmte Schwellenwert Z_REF um 1 Ω weiter als der Durchschnittswert Z_AV vergrößert wird, erfüllt die Impedanz des Wassererfassungselements 10 die Beziehung Z_JDG < Z_REF (c), wenn Wassertropfen anhaften, wobei sie die Beziehung Z_JDG > Z_REF (d) erfüllt, wenn die Strömungsgeschwindigkeit oder die Temperatur des Messgases verändert ist.
Es ist möglich, zwischen dem Fall (c) und dem Fall (d) auf der Grundlage der zuvor beschriebenen erfassten Beziehungen zu unterscheiden.
Nachstehend wird eine Beschreibung von experimentellen Ergebnissen des Verfahrens zum Erfassen der Adhäsion bzw. Anhaftung von Wassertropfen an dem Wassererfassungselement 10 gemäß dem ersten beispielhaften Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf 5A bis 5E gegeben.
5A bis 5E zeigen Darstellungen, die experimentelle Ergebnisse des Wassererfassungssensors 1 zeigen, um optimale Bedingungen zur Erfassung einer Adhäsion bzw. Anhaftung von Wassertropfen an dem Wassererfassungselement 10 zu erfassen. 5A zeigt eine Darstellung, die eine Wassererfassungskennlinie des Wassererfassungssensors 1 bei 600°C zeigt. 5B zeigt eine Darstellung, die eine Wassererfassungskennlinie des Wassererfassungssensors 1 bei 650°C zeigt. 5C zeigt eine Darstellung, die eine Wassererfassungskennlinie des Wassererfassungssensors 1 bei 730°C zeigt. 5D zeigt eine Darstellung, die eine Wassererfassungskennlinie des Wassererfassungssensors 1 bei 800°C zeigt. 5E zeigt eine Darstellung, die eine Wassererfassungskennlinie des Wassererfassungssensors 1 bei 850°C zeigt.
5A, 5B, 5C, 5D und 5E zeigen die erfasste Impedanz Z_AC des Wassererfassungselements 1, während Wassertropfen kontinuierlich auf das Wassererfassungselement 10 getropft werden, wenn das Wassererfassungselement 1 auf eine Temperatur von 600°C, 650°C, 730°C, 800°C bzw. 850°C erwärmt worden ist.
Wie es in 5A gezeigt ist, ist das Erfassungssignal, das von dem Wassererfassungselement 10 ausgegeben wird, bei einer Temperatur von 600°C verborgen.
Ferner weist, wie es in 5B gezeigt ist, das Erfassungssignal, das von dem Wasserfassungselement 10 ausgegeben wird, die maximale Änderung von 14 Ω der erfassten Impedanz Z_AC des Wasserfassungselements 10 bei einer Temperatur von 650°C auf.
Weiterhin gilt, wie es in 5C, 5D und 5E gezeigt ist, dass je mehr die Temperatur des Wassererfassungselements 10 vergrößert wird, desto kleiner ist ein Durchschnittswert der erfassten Impedanzen Z_AC, und desto kleiner ist die Änderung der erfassten Impedanz Z_AC des Wasserfassungselements 10.
Wenn das Wasserfassungselement 10 eine Temperatur innerhalb eines Bereichs von 650°C bis 800°C aufweist, weist, wie es in 5B, 5C und 5D gezeigt ist, die erfasste Impedanz Z_AC des Wasserfassungselements 10 einen klaren Spitzenwert auf. Dies ermöglicht es, einen Spitzenwert der erfassten Impedanz Z_AC des Wassererfassungselements 10 von Hintergrundrauschen deutlich zu unterscheiden.
Wenn das Wasserfassungselement 10 auf eine Temperatur von weniger als 650°C erwärmt worden ist, wie es beispielsweise in 5A gezeigt ist, ist es, da das Erfassungssignal kleiner als das Hintergrundrauschen gewesen ist, unmöglich, die erfasste Impedanz Z_AC des Wassererfassungselements 10 von dem Hintergrundrauschen zu unterscheiden. Das heißt, es ist für das Wasserfassungselement 10 schwierig, die Adhäsion bzw. Anhaftung von Wassertropfen an dem Wasserfassungselement zu erfassen, wenn eine Temperatur des Wasserfassungselements 10 kleiner als 650°C wird.
Demgegenüber ist es, wenn das Wassererfassungselement 10 auf eine Temperatur von 850°C erwärmt worden ist, da die erfasste Impedanz Z_AC des Wasserfassungselements 10 ein kleiner Wert gewesen ist, unmöglich, die erfasste Impedanz Z_AC des Wasserfassungselements 10 von dem Hintergrundrauschen zu unterscheiden. Das heißt, es ist für das Wasserfassungselement 10 schwierig, die Adhäsion bzw. Anhaftung von Wassertropfen daran zu erfassen, wenn die Temperatur des Wasserfassungselements 10 eine Temperatur von 850°C überschreitet.
Das heißt, dass je kleiner eine Temperatur des Wasserfassungselements 10 ist, desto höher ist die Impedanz des Wasserfassungselements 10, wobei die Energie, die durch eine Verdampfung von Wassertropfen verbraucht wird, vergrößert wird im Vergleich mit der Energie, die zur Aufrechterhaltung einer Temperatur des Wasserfassungselements 10 zugeführt wird. Dementsprechend wird eine teilweise Temperaturänderung des Wasserfassungselements 10 groß, und die Impedanz Z_AC des Wasserfassungselements 10 wird klein, wenn eine Temperatur des Wasserfassungselements 10 hoch ist. Zusätzlich zu dieser Eigenschaft werden die Wassertropfen leichter verdampft. Aufgrund eines Verhältnisses der Energie, die zur Aufrechterhaltung einer Temperatur des Wasserfassungselements 10 verwendet wird, zu der Energie, die durch die Verdampfung von Wassertropfen verbraucht wird, wenn Wassertropfen an dem Wasserfassungselement 10 anhaften, wird die Änderung einer erfassten Impedanz Z_AC des Wasserfassungselements 10 klein, wobei gilt, dass je höher eine Temperatur des Wasserfassungselements 10 ist, desto schwieriger wird die Erfassung der Adhäsion bzw. Anhaftung von Wassertropfen.
Da der Leidenfrost-Effekt bei dem Wasserfassungselement 10 leicht auftritt, wenn eine Temperatur des Wasserfassungselements 10 hoch ist, wird es schwieriger, die Adhäsion bzw. Anhaftung von Wassertropfen zu erfassen.
Dementsprechend ist es, um die Adhäsion bzw. Anhaftung von Wassertropfen korrekt und stabil zu erfassen, für das Wasserfassungselement 10 erforderlich, eine Temperatur innerhalb eines Bereichs von 650°C bis 800°C zu haben.
Ferner haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung entdeckt, dass eine Oberfläche des Wasserfassungselements 10 mit einer porösen Isolationsschicht (oder einer Fangschicht) durch ein Tauchverfahren oder ein Plasmainjektionsverfahren bedeckt werden kann. Die poröse Isolationsschicht ist aus wärmeresistenten Partikeln hergestellt, wie beispielsweise Aluminiumoxid und Spinell.
Eine Beschreibung wird nachstehend bezüglich eines Beispiels des Verfahrens zum Erfassen der Adhäsion bzw. Anhaftung von Wassertropfen unter Bezugnahme auf Flussdiagramme gegeben, die in 6A und 6B gezeigt sind.
6A zeigt eine Darstellung, die ein Flussdiagramm zeigt, um den Impedanzschwellenwert Z_REF des Wasserfassungselements 10 in dem Wasserfassungssensor 1 gemäß dem ersten beispielhaften Ausführungsbeispiel zu bestimmen. 6B zeigt ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zur Erfassung von Wassertropfen, die an dem Wasserfassungselement 10 in dem Wasserfassungssensor 1 gemäß dem ersten beispielhaften Ausführungsbeispiel anhaften, zeigt.
Nachstehend wird eine Beschreibung der Verarbeitung zum Bestimmen des Impedanzschwellenwerts Z_REF unter Bezugnahme auf Schritte S100 bis S160, die in 6A gezeigt sind, gegeben.
In Schritt S100 wird damit begonnen, die Erfassung des Impedanzschwellenwerts Z_REF des Wasserfassungselements 10 auszuführen.
In Schritt S110 wird eine untere Grenzmenge Qmin von Wassertropfen bestimmt, die zur Erfassung der Impedanz Z_AC des Wasserfassungselements 10 verwendet wird. Der Betriebsablauf geht zu Schritt S120.
In Schritt S120 wird die Impedanz Z_AC des Wasserfassungselements 10 bei der unteren Grenzmenge Qmin von Wassertropfen erfasst. Das Erfassungsergebnis Zp1 wird als die erfasste Impedanz Z_AC des Wassererfassungselements 10 in einer (von der Zeichnung weggelassenen) Speichereinheit gespeichert. Der Betriebsablauf geht zu Schritt S130.
In Schritt S130 bläst ein Messgas auf das Wasserfassungselement 10, sodass die Impedanz Z_AC des Wassererfassungselements 10 einen Wert Zp aufweist. Zu dieser Zeit wird die Impedanz Z_AC des Wassererfassungselements 10 als ein Wert Zp2 bei der (von der Zeichnung weggelassenen) Speichereinheit gespeichert. Der Wert Zp wird auf verschiedene Werte geändert, und die Impedanz Z_AC des Wasserfassungselements 10 wird als der Wert Zp2 bei der Speichereinheit gespeichert. Der Betriebsablauf geht zu Schritt S140.
In Schritt S140 wird eine Beurteilungszeitdauer T_JUD so bestimmt, dass eine Differenz zwischen den Werten Zp1 und Zp2 erfasst werden kann. Der Betriebsablauf geht zu Schritt S105.
In Schritt S150 werden die Werte der Impedanz Z_AC nach dem Ablauf der Beurteilungszeitdauer T_JDG verglichen, um den Impedanzschwellenwert Z_REF zu bestimmen. Der Betriebsablauf geht zu Schritt S160.
In Schritt S160 wird die Verarbeitung zur Bestimmung des Impedanzschwellenwerts Z_REF abgeschlossen.
Der Impedanzschwellenwert Z_REF, der der unteren Grenzmenge Qmin von Wassertropfen entspricht, kann durch das vorstehend beschriebene Verfahren, das in 6A gezeigt ist, erhalten werden.
Nachstehend wird eine Beschreibung des Verfahrens zum Erfassen der Adhäsion bzw. Anhaftung von Wassertropfen an dem Wasserfassungselement 10 unter Bezugnahme auf das in 6B gezeigte Flussdiagramm gegeben.
In Schritt S200 wird die Verarbeitung zum Erfassen der Adhäsion bzw. Anhaftung von Wassertropfen an dem Wassererfassungselement gestartet.
In Schritt S210 wird eine elektrische Leistung dem Erwärmungsabschnitt 150 in dem Wasserfassungselement 10 vor einer Zufuhr eines Messgases zu dem Wasserfassungselement 10 zugeführt, sodass die Impedanz Z_AC des Wasserfassungselements 10 gleich der Durchschnittsimpedanz Z_AV bei einer Messtemperatur (oder einer Erfassungstemperatur) wird, nämlich das Wasserfassungselement 10 einen stabilen Erfassungszustand aufweist. Der Betriebsablauf geht zu Schritt S220.
In Schritt S220 wird das Messgas in das Wasserfassungselement 10 eingeführt, und die Änderung der Impedanz Z_AC des Wasserfassungselements 10 wird erfasst. Wenn die Änderung der Impedanz Z_AC des Wasserfassungselements 10 nicht kleiner als ein vorbestimmter Wert wird, geht der Betriebsablauf zu Schritt S230.
In Schritt S230 wird die Impedanz Z_JDG des Wasserfassungselements 10 nach dem Ablauf der Beurteilungszeitdauer T_JDG erfasst, die von der Zeit gezählt wird, wenn der Spitzenwert der Impedanz Z_AC des Wasserfassungselements 10 erfasst wird. Der Betriebsablauf geht zu Schritt S240.
In Schritt S240 wird die erfasste Impedanz Z_JDG des Wasserfassungselements 10 während der Beurteilungszeitdauer T_JDG mit dem Impedanzschwellenwert Z_REF des Wasserfassungselements 10 verglichen.
Wenn das Vergleichergebnis ein positives Ergebnis anzeigt, wenn es nämlich anzeigt, dass die Impedanz Z_JDG des Wasserfassungselements 10 während der Beurteilungszeitdauer T_JDG nicht mehr als der Impedanzschwellenwert Z_REF des Wasserfassungselements 10 ist, geht der Betriebsablauf zu Schritt S250.
In Schritt S250 wird bestimmt, dass Wassertropfen an dem Wasserfassungselement 10 anhaften. Die Erfassungsschaltung 20 oder eine andere externe Steuerungsvorrichtung gibt ein Warnsignal aus, um über das Auftreten von Wassertropfen in dem Wasserfassungselement 10 zu informieren. Der Betriebsablauf geht zu Schritt S270.
Demgegenüber geht, wenn das Vergleichsergebnis in Schritt S240 ein negatives Ergebnis angibt, wenn es nämlich angibt, dass die Impedanz Z_JDG des Wasserfassungselements 10 während der Beurteilungszeitdauer T_JDG mehr als der Impedanzschwellenwert Z_REF des Wasserfassungselements 10 ist, der Betriebsablauf zu Schritt S260.
In Schritt S260 wird bestimmt, dass das Wasserfassungselement 10 durch das Messgas abgekühlt wird. Der Betriebsablauf geht zu Schritt S270.
In Schritt S270 wird die Verarbeitung zum Erfassen der Adhäsion bzw. Anhaftung von Wassertropfen abgeschlossen.
Die in Schritt S200 bis S270 gezeigte Verarbeitung wird wiederholt ausgeführt, wie es erforderlich ist.
Nebenbei überschreitet, da der Schritt S220 zum Erfassen der Änderung der Impedanz Z_AC die Impedanz Zp1 verwendet, die der unteren Grenzmenge Qmin von Wassertropfen in den Schritten S110 und S120 entspricht, während Rauschen berücksichtigt wird, das Rauschen die Impedanz Zp1, die der unteren Grenzmenge Qmin von Wassertropfen entspricht, nicht. Dementsprechend kann, wenn die Änderung der Impedanz von nicht weniger als einem vorbestimmten Wert erfasst wird, beurteilt werden, dass die Impedanz des Wasserfassungselements 10 ohne Einfluss durch Rauschen verändert ist.
Dementsprechend ist es möglich, die Adhäsion bzw. Anhaftung von Wassertropfen in dem Wasserfassungselement 10 mit einer hohen Genauigkeit zu erfassen, indem der Schritt zum Bestimmen eines Rauschpegels vor der Ausführung des Schritts S110 ausgeführt wird, oder indem zu dem Beurteilungsschritt geschaltet wird, wenn die Änderung der erfassten Impedanz Z_AC des Wasserfassungselements 10 gleich der Änderung der Impedanz ist, die der unteren Grenzmenge Qmin von Wassertropfen entspricht.
Zweites beispielhaftes Ausführungsbeispiel
Nachstehend wird eine Beschreibung eines Wasserfassungselements 10a gemäß einem zweiten beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf 7A, 7B und 7C gegeben.
7A zeigt eine perspektivische Entwicklungsdarstellung, die einen Aufbau des Wassererfassungselements 10a gemäß dem zweiten beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt. 7B zeigt eine Darstellung, die einen Querschnitt entlang einer Erfassung zeigt, die senkrecht zu einer longitudinalen Richtung des Wasserfassungselements ist, das in 7A gezeigt ist. 7C zeigt eine Darstellung, die einen Querschnitt entlang einer longitudinalen Richtung des Wasserfassungselements 10a zeigt, das in 7A gezeigt ist.
Die gleichen Bauteile, die in dem ersten beispielhaften Ausführungsbeispiel und in dem zweiten beispielhaften Ausführungsbeispiel verwendet werden, werden mit den gleichen Bezugszeichen und Zeichen bezeichnet, wobei eine Beschreibung der gleichen Bauelemente der Kürze halber hier weggelassen wird.
Das Wasserfassungselement 10a gemäß dem zweiten beispielhaften Ausführungsbeispiel kann unter Verwendung des gleichen Herstellungsverfahrens, das in dem ersten beispielhaften Ausführungsbeispiel gezeigt ist, hergestellt werden.
In dem Aufbau des Wasserfassungselements 10 gemäß dem ersten beispielhaften Ausführungsbeispiel, das in 1A gezeigt ist, weist der Festelektrolytkörper 100 eine Plattenform auf, die sich zu der longitudinalen Richtung des Wasserfassungselements 10 erstreckt.
Demgegenüber weist das Wasserfassungselement 10a gemäß dem zweiten beispielhaften Ausführungsbeispiel einen Festelektrolytkörper 100a auf, der aus einem Festelektrolytmaterial hergestellt ist, das lediglich innerhalb eines Bereichs der Wasserfassungselektroden 110a und 120a ausgebildet ist. Zusätzlich zu diesem Aufbau des Festelektrolytkörpers 100a ist eine Isolationsschicht 102 ausgebildet, um den vorderen Teil, die Seitenteile und das Distalende des Festelektrolytkörpers 100a zu umgeben. Dieser Aufbau ermöglicht es zu verhindern, dass der Festelektrolytkörper 100a in Kontakt mit dem Messgas kommt. Weiterhin ist ein Durchgangsloch 101a in der Isolationsschicht 102 ausgebildet. Weiterhin gibt es in dem Aufbau des Wasserfassungselements 10a gemäß dem zweiten beispielhaften Ausführungsbeispiel, das in 7A, 7B und 7C gezeigt ist, da die Elektrodenleitungsabschnitte 111 und 121, die Elektrodenleitungsabschnitte 112 und 123 und der Durchleiter 122 bei der Isolationsschicht 102 ausgebildet sind und nicht bei dem Festelektrolytkörper 100a ausgebildet sind, kein Auftreten eines fließenden Leckstroms zwischen den Wasserfassungselektroden 110a und 120a, wenn die Impedanz Z_AC des Wassererfassungselements 10a erfasst wird. Das Wasserfassungselement 10a mit dem in 7A, 7B und 7C gezeigten Aufbau kann ein stabiles Erfassungssignal ausgeben.
Zusätzlich ist es, da der gesamte äußere Umfang des Festelektrolytkörpers 100a durch die Isolationsschicht 102 umgeben ist, möglich, den Festelektrolytkörper 100a von dem Messgas vollständig zu trennen. Das heißt, der Festelektrolytkörper 100a ist nicht vollständig in Kontakt mit irgendeinem Messgas. In dem Aufbau des Wasserfassungselements 10a gemäß dem zweiten beispielhaften Ausführungsbeispiel bewegen sich Sauerstoffionen, die in einem Messgas beinhaltet sind, nicht in dem Festelektrolytkörper 100a und beeinflussen nicht das Erfassungsergebnis der Impedanz des Wasserfassungselements 10a.
Drittes beispielhaftes Ausführungsbeispiel
Nachstehend wird eine Beschreibung eines Wassererfassungselements 10b gemäß einem dritten beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf 8A, 8B und 8C gegeben.
8A zeigt eine perspektivische Entwicklungsdarstellung, die einen Aufbau des Wassererfassungselements 10b zeigt, das in einem Wassererfassungssensor gemäß dem dritten beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verwendet wird. 8B zeigt eine Darstellung, die einen Querschnitt des Wassererfassungselements 10b zeigt, das in 8A gezeigt ist. 8C zeigt eine perspektivische Darstellung, die eine Gesamtheit des Wassererfassungselements 10b zeigt, das in 8A gezeigt ist.
Nebenbei kann das Wassererfassungselement 10, 10a gemäß den ersten und zweiten Ausführungsbeispielen, die vorstehend beschrieben sind, erfassen, ob eine Adhäsion bzw. Anhaftung von Wassertropfen an dem Wassererfassungselement in einem Erfassungsmodell für einen Gassensor eines Schichttyps aufgetreten ist.
Demgegenüber weist das Wasserfassungselement 10b gemäß dem dritten beispielhaften Ausführungsbeispiel näherungsweise eine zylindrische Form auf, die in 8B und 8C gezeigt ist.
Das heißt, das Wasserfassungselement 10b gemäß dem dritten beispielhaften Ausführungsbeispiel kann die Adhäsion bzw. Anhaftung von Wassertropfen an dem Wasserfassungselement in einem Erfassungsmodell für einen Gassensor eines topfförmigen bzw. becherförmigen Typs erfassen.
Ähnlich zu dem Aufbau des Wassererfassungselements 10a gemäß dem zweiten beispielhaften Ausführungsbeispiel ist es für das Wasserfassungselement 10b gemäß dem dritten beispielhaften Ausführungsbeispiel möglich, den Festelektrolytkörper 10a mit der gleichen Form der Wassererfassungselektroden 110 und 120 aufzuweisen.
Das Wasserfassungselement 10b gemäß dem dritten beispielhaften Ausführungsbeispiel kann unter Verwendung des gleichen Herstellungsverfahrens hergestellt werden, das in dem ersten beispielhaften Ausführungsbeispiel und dem zweiten beispielhaften Ausführungsbeispiel offenbart ist.
In dem Vorgang zur Herstellung des Wasserfassungselements 10b werden die Isolationsschicht 130b, die eine Plattenform aufweist, die Wasserfassungselektrode 110b, der Elektrodenleitungsabschnitt 111b, der Elektrodenanschluss 112b, der Festelektrolytkörper 100b, der eine Plattenform aufweist, die Wasserfassungselektrode 120b, der Elektrodenleitungsabschnitt 121b, der Anschlussabschnitt 123b, die Isolationsschicht 140b, der Erwärmungsabschnitt 150b, das Paar der Leitungsabschnitte 151b und 152b, das Paar der Anschlussabschnitte 153b und 154b, die Isolationsschicht 160b, die eine Plattenform aufweist, aufeinanderfolgend gestapelt. Nach diesem Vorgang wird das zuvor gestapelte Material um einen zentralen Isolator 161 gerollt, um sie in eine zylindrische Form auszubilden, die in 8B und 8C gezeigt ist. Der zentrale Isolator 161 ist aus einem elektrischen Isolationsmaterial hergestellt, wie beispielsweise Aluminiumoxid. Die erhaltene Baugruppe wird gebrannt, um das Wasserfassungselement 10b gemäß dem dritten beispielhaften Ausführungsbeispiel zu erhalten.
In dem Aufbau des Wasserfassungselements 10b, das in 8B gezeigt ist, ist es, da die äußere Schicht einen großen Durchmesser im Vergleich zu der inneren Schicht aufweist, erforderlich, jede Schicht so auszubilden, dass die äußere Schicht eine große Breite aufweist und um den zentralen Isolator 161 gerollt wird. Das heißt, wie es in 8B und 8C deutlich gezeigt ist, dass nach der Herstellung des Wasserfassungselements 10b jedes Element aus der Isolationsschicht 130b, der Isolationsschicht 140b, der Isolationsschicht 160b, dem zentralen Isolator 161 und dem Festelektrolytkörper 100b eine zylindrische Form oder eine Stangenform aufweist.
Zusätzlich hierzu werden, wie es in 8B und 8C gezeigt ist, ein vorderes Ende jedes Elements aus der Isolationsschicht 140b, dem Festelektrolytkörper 100b und der Isolationsschicht 130b zueinander ausgerichtet und die Länge einer äußeren Schicht zu dem Distalendabschnitt des Wasserfassungselements 10b wird verkürzt, sodass der Elektrodenanschluss 112b und der Elektrodenanschluss 123b sowie die Anschlussabschnitte 153b und 154b freigelegt sind.
In dem Aufbau der Wasserfassungselemente 10 und 10a, die in den ersten und zweiten beispielhaften Ausführungsbeispielen offenbart sind, weist das Paar der Wasserfassungselektroden 110, 120 eine Plattenform auf, die eine parallele Plattenkapazität bildet, in der die Platten parallel zueinander entlang dem Festelektrolytkörper 100, 100a angeordnet sind.
Demgegenüber weisen die Wasserfassungselektroden 110b und 120b in dem Wasserfassungselement 10b gemäß dem dritten beispielhaften Ausführungsbeispiel eine Doppelrohrform auf, bei der die Wasserfassungselektroden 110b und 120b konzentrisch um den Festelektrolytkörper 100b mit einer Rohrform angeordnet sind, wie es in 8B und 8C gezeigt ist. Das heißt, die Wasserfassungselektroden 110b und 120b bilden eine Kapazität, die eine Doppelrohrform aufweist.
Eine erfasste Impedanz des Wasserfassungselements 10b mit einer zylindrischen Form gemäß dem dritten beispielhaften Ausführungsbeispiel, das in 8B und 8C gezeigt ist, unterscheidet sich von der erfassten Impedanz des Wasserfassungselements 10 und 10c gemäß den ersten und zweiten beispielhaften Ausführungsbeispielen. Es gilt jedoch, dass je höher die Temperatur des Wassererfassungselements 10b ist, desto niedriger ist die erfasste Impedanz. Ferner gilt, dass je niedriger die Temperatur des Wasserfassungselements 10b ist, desto höher ist die erfasste Impedanz.
Wie die Änderung der Impedanz in dem Wasserfassungselement 10 und 10a gemäß den ersten und zweiten beispielhaften Ausführungsbeispielen wird, wenn Wassertropfen an dem Wasserfassungselement 10b bei einer konstanten Temperatur anhaften, die erfasste Impedanz deutlich verändert und die veränderte Impedanz kehrt zu dem vorangegangenen Wert, nämlich den ursprünglichen Wert innerhalb einer kurzen Zeitdauer zurück. Ferner ist, wie die Impedanzänderung des Wasserfassungselements 10, 10b gemäß den ersten und zweiten Ausführungsbeispielen, wenn die Impedanz des Wassererfassungselements 10b durch die Temperaturänderung und die Änderung der Strömungsgeschwindigkeit des Messgases verändert wird, die Änderungsrate der Impedanz langsam und die geänderte Impedanz des Wasserfassungselements 10b kehrt langsam zu dem vorangegangenen Wert, nämlich zu dem ursprünglichen Wert zurück, im Vergleich mit der Änderung der Impedanz, wenn die Wassertropfen an dem Wasserfassungselement 10b anhaften.
Es ist folglich für das Wasserfassungselement 10b gemäß dem dritten beispielhaften Ausführungsbeispiel möglich, die Adhäsion bzw. Anhaftung von Wassertropfen mit hoher Genauigkeit zu erfassen.
Weiterhin weist, obwohl die Elektrodenanschlüsse 112b, 123b, 153b und 154b, die in 8B und 8C gezeigt sind, eine unterschiedliche Form zu den Elektrodenanschlüssen 112, 123, 153 und 154 aufweisen, die in 2A gezeigt sind, der Wassererfassungssensor, der mit dem Wassererfassungselement 10b gemäß dem dritten beispielhaften Ausführungsbeispiel ausgestattet ist, näherungsweise die gleiche Form des in 2 gezeigten Wasserfassungssensors 1 auf.
Viertes beispielhaftes Ausführungsbeispiel
Nachstehend wird eine Beschreibung eines Wasserfassungselements 10c und eines Wassererfassungssensors 1c gemäß einem vierten beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf 9A, 9B und 9C gegeben.
9A zeigt eine perspektivische Entwicklungsdarstellung eines Aufbaus des Wassererfassungssensors 1c, der mit dem Wasserfassungselement 10c gemäß dem vierten beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ausgestattet ist. 9B zeigt eine Darstellung, die einen Querschnitt des Wasserfassungssensors 1c zeigt, der mit dem Wassererfassungselement 10c ausgestattet ist, das in 9A gezeigt ist. 9C zeigt eine detaillierte Darstellung, die einen Teil des Wassererfassungssensors 1c zeigt, der mit dem Wasserfassungselement 10c ausgestattet ist, das in 9A gezeigt ist.
Das Wasserfassungselement 10b gemäß dem dritten beispielhaften Ausführungsbeispiel kann die Adhäsion bzw. Anhaftung von Wassertropfen in einem Erfassungsmodell für einen Gassensor eines topfförmigen Typs erfassen. Wie es vorstehend beschrieben ist, wird in dem Vorgang zur Herstellung des Wasserfassungselements 10b gemäß dem dritten beispielhaften Ausführungsbeispiel die Schichtung der gestapelten Schichten, die näherungsweise die gleiche Form wie das Wasserfassungselement 10, 10a aufweist, die eine Schichtform aufweisen, um den Isolator 161 herum gebildet, der eine Stabform aufweist.
Demgegenüber weist das Wasserfassungselement 10c gemäß dem vierten beispielhaften Ausführungsbeispiel eine Topfform auf.
In dem Vorgang zur Herstellung des Wasserfassungselements 10b gemäß dem vierten beispielhaften Ausführungsbeispiel wird der Festelektrolytkörper 100c in einer rohrförmigen Form ausgebildet. Die Wassererfassungselektrode 110c in dem Paar der Wassererfassungselektroden 110c und 120c ist auf der äußeren Umfangsoberfläche des Festelektrolytkörpers 100c ausgebildet, und die Wassererfassungselektrode 120c ist auf der inneren Umfangsoberfläche des Festelektrolytkörpers 100c ausgebildet. Der Erwärmungsabschnitt 150c ist in der Innenseite des Festelektrolytkorpers 100c angeordnet. Die Isolationsschicht 140c, die eine Stabform aufweist, ist in der Innenseite des Festelektrolytkörpers 100c ausgebildet. Der Erwärmungsabschnitt 150c ist in der Innenseite der Isolationsschicht 140c eingebettet. Die äußere Umfangsoberfläche der Wassererfassungselektrode 110c, die auf der äußeren Umfangsoberfläche des Festelektrolytkorpers 100c ausgebildet ist, ist mit der Isolationsschicht 130c bedeckt.
Das Wasserfassungselement 10c, das den vorstehend beschriebenen Aufbau aufweist, weist die gleichen Wirkungen wie die Wasserfassungselemente 10, 10a, 10b gemäß den ersten, zweiten und dritten beispielhaften Ausführungsbeispielen auf. Zusätzlich zu den gleichen Effekten kann das Wassererfassungselement 10c gemäß dem vierten beispielhaften Ausführungsbeispiel die Bedingung, wenn Wassertropfen an einem Gassensor anhaften, der eine Topfform aufweist, korrekt erfassen. Dies erlaubt die Entwicklung der porösen Schutzschicht und des Abdeckungsgehäuses für verschiedene Typen von Gassensorelementen, um zu verhindern, dass diese Gassensorelemente durch die Adhäsion bzw. das Anhaften von Wassertropfen zerstört werden.
Weiterhin ist es, wenn ein Gassensorelement mit einer Topfform verwendet wird und der Wassererfassungssensor 1c, der mit dem Wassererfassungselement 10c ausgestattet ist, die Adhäsion bzw. Anhaftung von Wassertropfen erfasst, möglich, das Erfassungssignal des Wassererfassungssensors 1c, der mit dem Wassererfassungselement 10c ausgestattet ist, zu der Erfassungsschaltung und einer externen Steuerungsvorrichtung zu übertragen, um eine Rückkupplungssteuerung bzw. Regelung auszuführen, um die elektrische Leistungszufuhr zu einer Erwärmungsvorrichtung eines Gassensors einzustellen bzw. zu justieren und ein Erfassungsergebnis des Gassensors einzustellen bzw. zu justieren. Dies ermöglicht es, ein Erfassungsergebnis und die Haltbarkeit des Gassensors zu verbessern und die Lebensdauer des Gassensors auszuweiten.
In dem vierten beispielhaften Ausführungsbeispiel ist das Wassererfassungselement 10c aus einem Festelektrolytkörper hergestellt, der eine Ionenleitfähigkeit bei einem spezifischen Ion aufweist, wie beispielsweise Yttrium-dotiertes Zirkoniumdioxid.
Das Wasserfassungselement 10c gemäß dem vierten beispielhaften Ausführungsbeispiel ist aus dem Festelektrolytkörper 100c, den Wassererfassungselektroden 110c und 120c, die aus einer Platte usw. hergestellt sind, dem Erwärmungsabschnitt 150c und der Isolationsschicht 130c aufgebaut. Der Festelektrolytkörper 100c weist eine zylindrische Form mit einem Bodenabschnitt und einem Einfügungsloch auf, durch das der Erwärmungsabschnitt 150c eingefügt wird und darin untergebracht wird. Die Wassererfassungselektroden 110c und 120c sind auf der äußeren Oberfläche und der inneren Oberfläche des Festelektrolytkörpers 100c ausgebildet. Die Isolationsschicht 130c deckt die Oberfläche der Wassererfassungselektrode 110c ab.
Ferner ist ein Abschnitt mit vergrößertem Durchmesser 101c bei dem Mittelabschnitt des Festelektrolytkörpers 100c ausgebildet.
Die Bewegung des Abschnitts mit vergrößertem Durchmesser 101c ist durch einen Sperrabschnitt 505c gesperrt. Der Sperrabschnitt 505c ragt zu der Innenseite der Gehäusehülle 50c heraus. Anders ausgedrückt wird, wie es in dem Querschnitt in 9A gezeigt ist, das Loch der Gehäusehülle 50c bei dem Sperrabschnitt 505c im Durchmesser verkleinert.
Der Abschnitt mit vergrößertem Durchmesser 101c des Festelektrolytkörpers 100c in dem Wassererfassungselement 10c wird durch einen Festmachabschnitt 507 über ein Dichtungselement 42c, das aus einem wärmeresistenten Keramikpulver, wie beispielsweise Talkum, oder einer Metalldichtung hergestellt ist, luftdicht festgemacht. Dieser Festmachabschnitt 507 ist bei der Distalendseite der Gehäusehülle 50c ausgebildet. Das Festmachverfahren durch den Festmachabschnitt 507 ist ähnlich zu dem Festmachverfahren, das in dem Gassensor des topfförmigen Typs verwendet wird, der allgemein bekannt ist. Dieser Aufbau ermöglicht es, dass der Abschnitt, der mit der Isolationsschicht 130c bei der Vorderendseite des Wassererfassungselements 10c bedeckt ist, in der Strömung des Messgases angeordnet werden kann, wobei er ferner verhindert, dass das Messgas zu der Außenseite des Wassererfassungssensors 1c herausleckt, der in einem Gasrohr angeordnet ist, durch das das Messgas strömt.
Die Elektrodenanschlüsse 112c und 123c sind bei der Distalendseite des Festelektrolytkörpers 100c angeordnet und jeweils elastisch in Kontakt mit den Verbindungsmetallabschnitten 113c und 124c. Das heißt, die Elektrodenanschlüsse 112c und 123c sind jeweils mit der Erfassungsschaltung 20 über die Verbindungsmetallabschnitte 113c und 124c sowie die Signalleitungen 114 und 125 elektrisch verbunden.
Die Isolationsschicht 140c, in die der Erwärmungsabschnitt 150c und die Leitungsabschnitte 151c und 152c eingebettet sind, weist näherungsweise eine longitudinale Stabform auf. Die Anschlussabschnitte 153c und 154c sind auf der Oberfläche der Isolationsschicht 140c bei der zugehörigen Distalendseite ausgebildet.
Die Anschlussabschnitte 153c und 154 sind elastisch in Kontakt mit den Leiterdrähten 157 und 158. Das heißt, die Anschlussabschnitte 153c und 154c sind elektrisch mit der elektrischen Leistungszufuhrsteuerungsvorrichtung 30 über die Anschlussmetallabschnitte 155c und 156c sowie die Leiterdrähte 157 und 158 verbunden.
Da Luft in die Innenseite des Festelektrolytkörpers eingebracht wird, der eine zylindrische Form mit einem geschlossenen Bodenabschnitt in einem Gassensor des Topftyps aufweist, ist es erforderlich, Signalleitungen in die Innenseite eines Gehäuses durch Öffnungslöcher zu führen, die in dem Gehäuse ausgebildet sind, wobei ebenso Luft durch die Öffnungslöcher eingebracht wird. Demgegenüber erfordert der Wassererfassungssensor 1c gemäß dem vierten beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kein Durchgangsloch, das in dem Gehäuse 70c ausgebildet ist, da keine Luft in die Innenseite des Festelektrolytkörpers 100c eingebracht wird.
Weiterhin ist es, wenn eine Lücke zwischen der Isolationsschicht 140c, in die der Erwärmungsabschnitt 150c eingebettet ist, und den Durchgangslöchern 170c gebildet ist, die in der Innenseite des Festelektrolytkörpers 100c ausgebildet sind und durch die der Erwärmungsabschnitt 150c eingefügt wird, zu bevorzugen, die Lücke mit einem Füllmaterial, wie beispielsweise Aluminiumoxid, abzudichten, das eine elektrische Isolierung und eine Wärmeleitfähigkeit aufweist. Eine Verwendung des Füllmaterials ermöglicht es, Wärmeenergie, die durch den Erwärmungsabschnitt 150c erzeugt wird, zu dem Festelektrolytkörper 100c mit hoher Effizienz zu übertragen.
(Weitere Merkmale und Wirkungen der vorliegenden Erfindung)
In dem Wassererfassungselement gemäß einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist der Festelektrolytkörper 100a eine Plattenform auf. Die erste Wassererfassungselektrode 100a als eine des Paares der Wassererfassungselektroden 110a, 120a weist eine vorbestimmte Fläche auf, die auf den Oberflächen des Festelektrolytkörpers 100a gebildet ist. Die erste Wasserfassungselektrode 110a ist bei einer Position, die zu dem Messgas freigelegt ist, von einem Außenumfang des Festelektrolytkörpers 100a zu einem Innenseitenabschnitt um eine vorbestimmte Länge ausgebildet. Die Oberfläche der ersten Wasserfassungselektrode 110a ist mit der Isolationsschicht 130 abgedeckt, die eine Plattenform aufweist, die aus einem elektrischen Isolationskeramikmaterial hergestellt ist. Die zweite Wasserfassungselektrode 120a weist die gleiche Fläche wie die erste Wassererfassungselektrode 110a auf, die auf der anderen Oberfläche des Festelektrolytkörpers 100a ausgebildet ist. Der Erwärmungsabschnitt 150 ist in einer anderen Isolationsschicht 140, 160 eingebettet, die eine Plattenform aufweist, die auf der Oberfläche der zweiten Wasserfassungselektrode 120a ausgebildet ist.
In dem Gassensorelement gemäß der vorliegenden Erfindung tritt, da der Erwärmungsabschnitt und jede des Paares der Wassererfassungselektroden von dem Messgas getrennt sind, d. h. nicht in Kontakt mit dem Messgas sind, keine elektrochemische Reaktion und keine thermochemische Reaktion auf. Dies ermöglicht es, ein Wassererfassungselement mit ausgezeichneter Haltbarkeit und langer Lebensdauer zusätzlich zu verschiedenen Merkmalen, die vorstehend beschrieben sind, bereitzustellen.
Weiterhin ist es möglich, das Wassererfassungselement gemäß der vorliegenden Erfindung in der Entwicklung eines Gassensorelements eines Schichttyps zu verwenden, das zumindest einen Festelektrolytkörper, der eine Plattenform aufweist, ein Paar von Erfassungselektroden, die auf Oberflächen des Festelektrolytkörpers ausgebildet sind, und einen Erwärmungsabschnitt aufweist, die geschichtet sind. Eine Verwendung des Wassererfassungselements gemäß der vorliegenden Erfindung ermöglicht es, Gassensoren eines Schichttyps mit ausgezeichneter Haltbarkeit zu entwickeln.
In dem Wassererfassungselement gemäß einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist der Festelektrolytkörper 100b eine zylindrische Form auf. Die erste Wassererfassungselektrode 110a als eine des Paares der Wassererfassungselektroden 110b, 120b ist auf einer äußeren Umfangsoberfläche des Festelektrolytkörpers 100b ausgebildet. Die zweite Wassererfassungselektrode 120a ist auf einer inneren Umfangsoberfläche des Festelektrolytkörpers 110b ausgebildet. Der Erwärmungsabschnitt 150b ist in einer anderen Isolationsschicht 140b, 160b eingebettet, die eine zylindrische Form aufweist, die in der Innenseite des Festelektrolytkörpers 100b ausgebildet ist. Die gesamte äußere Umfangsoberfläche der ersten Wassererfassungselektrode 110b, die auf der äußeren Umfangsoberfläche des Festelektrolytköpers 100b ausgebildet ist, ist mit der Isolationsschicht 130b abgedeckt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung tritt, da die Wassererfassungselektroden des Paares und der Erwärmungsabschnitt ebenso von dem Messgas getrennt sind, d. h. nicht in Kontakt mit dem Messgas sind, keine elektrochemische Reaktion und keine thermochemische Reaktion auf. Dies ermöglicht es, ein Wassererfassungselement mit ausgezeichneter Haltbarkeit und langer Lebensdauer zusätzlich zu verschiedenen Merkmalen, die vorstehend beschrieben sind, bereitzustellen.
Des Weiteren ist es möglich, das Wassererfassungselement gemäß der vorliegenden Erfindung bei der Entwicklung von Gassensorelementen eines topfförmigen Typs zu verwenden, die zumindest einen Festelektrolytkörper, der eine zylindrische Form mit einem Bodenabschnitt aufweist, ein Paar von Erfassungselektroden, die auf einer inneren Umfangsoberfläche und einer äußeren Umfangsoberfläche des Festelektrolytkörpers ausgebildet sind, aufweisen. Eine Verwendung des Wassererfassungselements gemäß der vorliegenden Erfindung ermöglicht es, Gassensoren des topfförmigen Typs mit ausgezeichneter Haltbarkeit zu entwickeln.
In dem Wassererfassungssensor gemäß einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung hält das Wassererfassungselement 10, 10a, 10b, 10c eine vorbestimmte Temperatur durch eine zugeführte elektrische Leistung unter einer Bedingung aufrecht. Die Erfassungsbeurteilungseinrichtung 202, 20 bestimmt, dass die Adhäsion bzw. das Anhaften von Wassertropfen an dem Wassererfassungselement 10, 10a, 10b, 10c aufgetreten ist, wenn die Erfassungsbeurteilungseinrichtung 202, 20 erfasst, dass:
(a) eine Änderung einer Impedanz pro Einheitszeit, die zwischen der ersten Wassererfassungselektrode 110, 110a, 110b, 110c und der zweiten Wassererfassungselektrode 120, 120a, 120b, 120c aufgetreten ist, nicht kleiner als ein vorbestimmter Schwellenwert ist, wenn der Wechselstrom, der eine vorbestimmte Frequenz aufweist, zwischen der ersten Wassererfassungselektrode 110, 110a, 110b, 110c und der zweiten Wassererfassungselektrode 120, 120a, 120b, 120c zugeführt wird, und (b) eine erfasste Zeitlänge kürzer als ein vorbestimmter Rückkehrschwellenwert ist, wobei die erfasste Zeitlänge von einer Zeit, wenn die erfasste Impedanz einen maximalen Spitzenwert aufweist, zu einer Zeit gezählt wird, wenn die erfasste Impedanz kleiner als ein vorbestimmter Impedanzschwellenwert wird.
Der Wassererfassungssensor 1, 1a, 1b, 1c, der mit dem Wassererfassungselement 10, 10a, 10b, 10c gemäß der vorliegenden Erfindung ausgestattet ist, weist eine hohe Haltbarkeit und eine lange Lebensdauer auf. Insbesondere kann der Wassererfassungssensor 1, 1a, 1b, 1c ein Auftreten einer Adhäsion bzw. Anhaftung von Wassertropfen auf der Oberfläche des Wassererfassungselements und eine Menge von Wassertropfen, die auf der Oberfläche des Wassererfassungselements anhaften, unmittelbar erfassen, wenn derartige Wassertropfen an dem Wassererfassungselement 10, 10a, 10b, 10c anhaften. Ferner ist es für den Wassererfassungssensor 1, 1a, 1b, 1c möglich, den vorstehend beschriebenen Aufbau zu haben, um Erfassungssignale zu einer externen Vorrichtung, wie beispielsweise der Erfassungsschaltung 20, zeitnah zu übertragen.
Während spezifische Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ausführlich beschrieben worden sind, ist es für einen Fachmann ersichtlich, dass verschiedenerlei Modifikationen und Alternativen zu diesen Einzelheiten im Lichte der Gesamtlehre der Offenbarung entwickelt werden könnten. Dementsprechend sind die spezifischen Anordnungen, die offenbart sind, lediglich als Veranschaulichung zu verstehen und nicht auf den Umfang der vorliegenden Erfindung begrenzt, dem die volle Breite der nachstehenden Patentansprüche und aller zugehörigen Äquivalente zu verleihen ist.
Ein Wassererfassungselement 10 zur Erfassung einer Adhäsion bzw. Anhaftung von Wassertropfen auf der Grundlage einer Änderung einer Impedanz zwischen Wassererfassungselektroden 110, 120. Das Element 10 weist einen Festelektrolytkörper 100, der eine Ionenleitfähigkeit bei spezifischen Ionen aufweist, und ein Paar von Wassererfassungselektroden 110, 120, die eine vorbestimmte Fläche aufweisen, die auf Oberflächen des Festelektrolytkörpers 100 ausgebildet ist, auf. Das Element 10 weist einen Erwärmungsabschnitt 150, der Wärmeenergie erzeugt und den Wassererfassungselektroden 110, 120 zuführt, und eine Isolationsschicht 130 auf, die aus einem elektrischen Isolationskeramikmaterial hergestellt ist, das eine elektrische Isolationseigenschaft und eine thermische Leitfähigkeitseigenschaft aufweist, und mit der eine Oberfläche der Wassererfassungselektrode 110 abgedeckt ist, wobei sie verhindert, dass die Wassererfassungselektrode 110 mit dem Messgas in Kontakt kommt. Ein Wassererfassungssensor 1 weist das Wassererfassungselement 10, eine elektrische Leistungsquelle 30 und eine Erfassungsschaltung 20 auf.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2008-076211 [0010]
JP 2010-169655 [0011]
DE 1014933 A1 [0012]
JP 2007-225592 [0013, 0015]

Claims

Wassererfassungselement (10, 10a, 10b, 10c) zur Erfassung einer Adhäsion von Wassertropfen an dem Wassererfassungselement (10, 10a, 10b, 10c) auf der Grundlage einer Änderung einer Impedanz zwischen Wassererfassungselektroden (110, 110a, 110b, 110c, 120, 120b, 120c), wobei das Wassererfassungselement (10, 10a, 10b, 10c) umfasst: einen Festelektrolytkörper (100, 100a, 100b, 100c), der aus einem Festelektrolytmaterial hergestellt ist, das eine Ionenleitfähigkeit bei einem spezifischen Ion aufweist, ein Paar einer ersten Wassererfassungselektrode (110, 110a, 110b, 110c) und einer zweiten Wassererfassungselektrode (120, 120a, 120b, 120c), die eine vorbestimmte Fläche aufweisen, die auf Oberflächen des Festelektrolytkörpers (100, 100a, 100b, 100c) gebildet ist, einen Erwärmungsabschnitt (150, 150b, 150c), der eine Wärmeenergie erzeugt, wenn er eine elektrische Leistung empfängt, und die erzeugte Wärmeenergie dem Paar der ersten Wassererfassungselektrode (110, 110a, 110b, 110c) und der zweiten Wassererfassungselektrode (120, 120a, 120b, 120c) zuführt, und eine Isolationsschicht (130, 130b, 130c), die aus einem elektrischen Isolationskeramikmaterial hergestellt ist, das elektrische Isolierungs- und thermische Leitfähigkeitseigenschaften aufweist, und mit der eine Oberfläche zumindest einer der ersten Wassererfassungselektrode (110, 110a, 110b, 110c) und der zweiten Wassererfassungselektrode (120, 120a, 120b, 120c) abgedeckt ist, wobei die Isolationsschicht (130, 130b, 130c) verhindert, dass die Wassererfassungselektrode, deren Oberfläche bei einem Messgas durch die Isolationsschicht (130, 130b, 130c) positioniert ist, in Kontakt mit dem Messgas kommt.
Wassererfassungselement nach Anspruch 1, wobei der Festelektrolytkörper (100a) eine Plattenform aufweist, die erste Wassererfassungselektrode (110a) als eine des Paares der Wassererfassungselektroden (110a, 120a) eine vorbestimmte Fläche aufweist, die auf den Oberflächen des Festelektrolytkörpers (100a), der zu dem Messgas freigelegt ist, von einem Außenumfang des Festelektrolytkörpers (100a) zu einem Innenseitenabschnitt um eine vorbestimmte Länge gebildet ist, und die Oberfläche der ersten Wassererfassungselektrode (110a) mit der Isolationsschicht (130) bedeckt ist, die eine Plattenform aufweist, die aus einem elektrischen Isolationskeramikmaterial hergestellt ist, die zweite Wassererfassungselektrode (120a) die gleiche Fläche wie die erste Wassererfassungselektrode (110a) aufweist, die auf der anderen Oberfläche des Festelektrolytkörpers (100a) gebildet ist, und der Erwärmungsabschnitt (150) in einer anderen Isolationsschicht (140, 160) eingebettet ist, die eine Plattenform aufweist, die auf der Oberfläche der zweiten Wassererfassungselektrode (120a) gebildet ist.
Wassererfassungselement nach Anspruch 1, wobei der Festelektrolytkörper (100b) eine zylindrische Form aufweist, die erste Wassererfassungselektrode (110a) als eine des Paares der Wassererfassungselektroden (110b, 120b) auf einer äußeren Umfangsoberfläche des Festelektrolytkörpers (100b) gebildet ist, die zweite Wassererfassungselektrode (120a) auf einer inneren Umfangsoberfläche des Festelektrolytkörpers (100b) gebildet ist, der Erwärmungsabschnitt (150b) in einer anderen Isolationsschicht (140b, 160b) eingebettet ist, die eine zylindrische Form aufweist, die in der Innenseite des Festelektrolytkörpers (100b) gebildet ist, und die gesamte äußere Umfangsoberfläche der ersten Wassererfassungselektrode (110b), die auf der äußeren Umfangsoberfläche des Festelektrolytkörpers (100b) gebildet ist, mit der Isolationsschicht (130b) bedeckt ist.
Wassererfassungssensor (1, 1a, 1b, 1c) zur Erfassung einer Adhäsion von Wassertropfen an einem Wassererfassungselement, mit: den Wassererfassungselementen (10, 10a, 10b, 10c) nach einem der Ansprüche 1, 2 und 3, einer Erwärmungsabschnittleistungszufuhrsteuerungsvorrichtung (30) zur Einstellung einer elektrischen Leistung für den Erwärmungsabschnitt (150, 150b, 150c), einer Wechselstromleistungszufuhr (20) zur Zufuhr eines Wechselstroms zu dem Paar der ersten und zweiten Wassererfassungselektroden (110, 110a, 110b, 110c, 120, 120a, 120b, 120c), und einer Impedanzerfassungseinrichtung (201, 20) zur Erfassung einer Änderung einer Impedanz zwischen den ersten und zweiten Wassererfassungselektroden (110, 110a, 110b, 110c, 120, 120a, 120b, 120c), und einer Erfassungsbeurteilungseinrichtung (202, 20) zum Vergleichen eines Ausgabewerts, der von der Impedanzerfassungseinrichtung (201, 20) erhalten wird, mit einem vorbestimmten Schwellenwert und zur Bestimmung, ob eine Adhäsion von Wassertropfen an dem Wassererfassungselement aufgetreten ist, auf der Grundlage eines Vergleichsergebnisses der Erfassungsbeurteilungseinrichtung (202, 20).
Wassererfassungssensor nach Anspruch 4, wobei unter einer Bedingung, bei der das Wassererfassungselement (10, 10a, 10b, 10c) eine vorbestimmte Temperatur durch eine zugeführte elektrische Leistung aufrecht erhält, die Erfassungsbeurteilungseinrichtung (202, 20) bestimmt, dass die Adhäsion von Wassertropfen an dem Wassererfassungselement (10, 10a, 10b, 10c) aufgetreten ist, wenn die Erfassungsbeurteilungseinrichtung (202, 20) erfasst, dass: (a) eine Änderung einer Impedanz pro Einheitszeit, die zwischen der ersten Wassererfassungselektrode (110, 110a, 110b, 110c) und der zweiten Wassererfassungselektrode (120, 120a, 120b, 120c) erfasst wird, nicht kleiner als ein vorbestimmter Schwellenwert ist, wenn der Wechselstrom mit einer vorbestimmten Frequenz zwischen der ersten Wassererfassungselektrode (110, 110a, 110b, 110c) und der zweiten Wassererfassungselektrode (120, 120a, 120b, 120c) zugeführt wird, und (b) eine erfasste Zeitlänge kürzer als ein vorbestimmter Rückkehrschwellenwert ist, wobei die erfasste Zeitlänge von einer Zeit, wenn die erfasste Impedanz einen maximalen Spitzenwert aufweist, zu einer Zeit gezählt wird, wenn die erfasste Impedanz kleiner als ein vorbestimmter Impedanzschwellenwert wird.