DE102014214398A1

DE102014214398A1 - Gassensor und Verfahren zur Detektion von Sauerstoff

Info

Publication number: DE102014214398A1
Application number: DE102014214398.5A
Authority: DE
Inventors: Sabine Fischer; Maximilian Fleischer; Erhard Magori; Roland Pohle; Nico Straub
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2014-07-23
Filing date: 2014-07-23
Publication date: 2016-01-28
Also published as: EP3155413A1; US20170227487A1; WO2016012319A1

Abstract

Es wird ein Gassensor angegeben zur Detektion von Sauerstoff in einem Gasgemisch mit – einem Sauerstoffionenleiter und – wenigstens zwei auf dem Sauerstoffionenleiter angeordneten Elektroden, wobei der Gassensor derart gestaltet ist, dass bei einem Betrieb des Gassensors beide Elektroden mit dem Gasgemisch in Kontakt treten, – einer Steuereinrichtung, ausgestaltet zum Anlegen einer Polarisationsspannung oder eines Polarisationsstroms an die Elektroden während eines Polarisationszeitraums, – einer Messeinrichtung zur Messung des Stroms oder der Spannung an den Elektroden, – einer Auswerteeinrichtung zur Bestimmung des Sauerstoffgehalts aus der gemessenen Spannung bzw. dem gemessenen Strom, wobei der Sauerstoffgehalt aus – dem Strom während, insbesondere zum Ende, des Polarisationszeitraums, – der geflossenen Ladung über den Polarisationszeitraum oder – der Spannung direkt nach dem Polarisationszeitraum ermittelt wird.

Description

Die Erfindung betrifft einen Gassensor zur Detektion von Sauerstoff sowie ein Verfahren zur Detektion von Sauerstoff in einem Gasgemisch.
Die Sauerstoffmessung im Abgas spielt bei Verbrennungsprozessen eine entscheidende Rolle, da nur bei einem sehr genau eingehaltenen Sauerstoff/Kraftstoffverhältnis, gekennzeichnet durch die Größe λ (Lambda) und den Wert λ = 1, eine optimale Verbrennung mit geringen Abgasemissionen erreicht werden kann. Schon geringe Abweichungen davon führen zu stark erhöhten Emissionen von Kohlenwasserstoffen oder Stickoxiden, je nach Richtung der Abweichung.
Die Einstellung des optimalen Betriebspunktes bei λ = 1 wird mit Hilfe der Lambdasonde in Kraftfahrzeugen sichergestellt, wobei sowohl die Sprungsonde auch die Breitbandsonde verwendet werden kann. Während bei der Sprungsonde (seit 1976 serienreif) aufgrund der großen Spannungsänderung bei exakt λ = 1 dieser Betriebspunkt genau bestimmt werden kann, jedoch der Sauerstoffhalt nicht über einen größeren Sauerstoffbereich ermittelt werden kann, wurde 1998 die Breitbandsonde mit einem nahezu linearen Signal über einen großen Konzentrationsbereich in Serie eingeführt. Heutzutage ist jedes Auto mit mindestens einem, oft auch zwei Sauerstoffsensoren ausgestattet, um die strengen Abgasnormen zu erfüllen.
Die auf dem Markt befindlichen Sauerstoffsensoren sind aufgrund ihrer Funktionsweise sehr komplex aufgebaut: so benötigt die Sprungsonde zur Messung der p_O2 ^Abgas-abhängigen Nernstspannung U_Nernst = RT/4F ln(p_O2 ^Abgas/p_O2 ^Referenz) eine Referenzatmosphäre mit konstantem Sauerstoffgehalt p_O2 ^Referenz an einer Elektrode. Aus diesem Grund können die Herstellungskosten aufgrund des notwendigen Referenzkanals (oder einer gepumpten Referenz) nur bedingt minimiert werden.
Die Breitband-Sauerstoffsonde ist im Aufbau deutlich komplexer: so wird neben einer Nernstzelle zusätzlich eine Pumpzelle integriert, welche Sauerstoff mit Hilfe einer Pumpspannung in einen Hohlraum hinein oder heraus pumpt, um einen definierten O₂-Gehalt in der Kavität sicherzustellen (gemessen anhand einer bestimmten Referenzspannung U_ref = U_Nernst = 450 mV mittels der Nernstzelle). Anhand des Pumpstroms wird der Sauerstoffgehalt bestimmt.
Diese Sensoren sind zwar sehr ausgereift, aber auch sehr komplex aufgebaut.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Gassensor zur Detektion von Sauerstoff anzugeben, der einen vereinfachten Aufbau aufweist. Eine weitere Aufgabe ist, ein entsprechendes Verfahren zur Detektion von Sauerstoff anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch einen Gassensor mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Hinsichtlich des Verfahrens besteht eine Lösung in dem Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 8.
Der erfindungsgemäße Gassensor zur Detektion von Sauerstoff in einem Gasgemisch umfasst einen Sauerstoffionenleiter und wenigstens zwei auf dem Sauerstoffionenleiter angeordneten Elektroden, wobei der Gassensor derart gestaltet ist, dass bei einem Betrieb des Gassensors beide Elektroden mit dem Gasgemisch in Kontakt treten. Weiterhin umfasst der Gassensor eine Steuereinrichtung, ausgestaltet zum Anlegen einer Polarisationsspannung oder eines Polarisationsstroms an die Elektroden während eines Polarisationszeitraums, eine Messeinrichtung zur Messung des Stroms oder der Spannung an den Elektroden und eine Auswerteeinrichtung zur Bestimmung des Sauerstoffgehalts aus der gemessenen Spannung bzw. dem gemessenen Strom, wobei der Sauerstoffgehalt aus dem Strom während, insbesondere zum Ende, des Polarisationszeitraums, der geflossenen Ladung über den Polarisationszeitraum oder der Spannung direkt nach dem Polarisationszeitraum ermittelt wird.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Detektion von Sauerstoff in einem Gasgemisch wird ein Gassensor verwendet, der einen Sauerstoffionenleiter und wenigstens zwei auf diesem angeordnete Elektroden umfasst und der Gassensor derart mit dem Gasgemisch in Verbindung gebracht, dass beide Elektroden mit dem Gasgemisch in Kontakt treten.
Folgend wird während eines Polarisationszeitraums eine Polarisationsspannung oder ein Polarisationsstrom an die Elektroden angelegt und der Strom oder die Spannung an den Elektroden gemessen sowie der Sauerstoffgehalt im Gasgemisch aus der gemessenen Spannung bzw. dem gemessenen Strom bestimmt. Dabei wird der Sauerstoffgehalt aus

– dem Strom während, insbesondere zum Ende, des Polarisationszeitraums,
– der geflossenen Ladung über den Polarisationszeitraum oder
– der Spannung direkt nach dem Polarisationszeitraum ermittelt.

Für die Erfindung wurde erkannt, dass als Sensorsignal im Gegensatz zur Stickoxid-Detektion nicht die Depolarisationsspannung nach einer Zeit der Depolarisation im Bereich von 1 s, sondern in der Hauptsache der Strom während der Polarisation I_Pol(t) zur Detektion des Sauerstoffeinflusses verwendbar ist. So ist der Strom am Ende des Polarisationszeitraums stark vom Sauerstoffgehalt abhängig. Dabei ist anzumerken, dass die O^2–-Ionenleitfähigkeit durch den Y2O3-Dotierungsgehalt des ZrO2-Substrats und der Temperatur bestimmt ist und nicht vom Sauerstoffgehalt der Atmosphäre abhängig ist. Demnach muss die Sauerstoffabhängigkeit des Polarisationsstroms eine andere Ursache haben.
Bei geringen Temperaturen bis 400 °C ist die ionische Leitfähigkeit des YSZ Substrates gering; dies führt dazu, dass unabhängig von dem vorhandenen Sauerstoffangebot an der Dreiphasengrenze nur ein bestimmter Sauerstoffionenstrom I = U / R_YSZ durch den Ionenleiter transportiert werden kann. Somit ist bei dieser geringen Ionenleitfähigkeit bzw. hohen Substratwiderstand R_YSZ kein Sauerstoffeinfluss auf den Polarisationsstrom messbar.
Mit steigender Temperatur nimmt die Leitfähigkeit exponentiell zu. Damit ist oberhalb von 400 °C die Ionenleitfähigkeit groß genug, dass die Ionenbildung an der Dreiphasengrenze O₂ + 4e^– → 2O^2– für den Ionenstrom limitierend ist und aufgrund der hohen Ionenleitfähigkeit bei diesen Temperaturen auch alle gebildeten Ionen durch das Substrat von der einen Elektrode zur anderen transportiert werden. D.h. je mehr Sauerstoff an der Platin-Elektrode angeliefert wird, desto mehr Ionen können transportiert werden. Somit kann die Sauerstoffabhängigkeit des Stroms während der Polarisation bei hohen Temperaturen erklärt werden.
Diese Abhängigkeit ist als Ergebnis einer beispielhaften Messung in 1 dargestellt. Aufgrund einer symmetrischen Elektrodenanordnung auf dem Ionenleiter ist der Messeffekt bei beiden Polarisationsrichtungen identisch. 1 zeigt den sauerstoffabhängigen Polarisationsstrom bei verschiedenen Sauerstoffkonzentrationen. 2 zeigt Signale, die die während eines jeweiligen Polarisationszeitraums transferierte Ladung darstellen, bei verschiedenen Sauerstoffkonzentrationen und verschiedenen Temperaturen des Gassensors.
Der Polarisationsstrom zeigt vor allem am Ende der Polarisation eine deutliche Sauerstoffabhängigkeit. Mit zunehmendem Sauerstoffgehalt ergibt sich ein steigender Sauerstoffpumpstrom. Während zu Beginn der Polarisation noch Aufladeeffekte (entsprechend einer Aufladung eines RC-Gliedes) und zusätzliche Redox-Reaktionen (wie Platinoxidation und Reduktion von Platinoxiden) eine Stromerhöhung verursachen, wird anhand des stationären Stromanteils am Ende der Polarisation der Transport von Sauerstoff in Form von O^2–-Ionen durch den Ionenleiter aufgrund des angelegten Potentials messbar.
Neben dieser sehr guten Korrelation des Stroms bzw. der Ladung während der Polarisation mit der Sauerstoffkonzentration ergibt sich auch ein deutlicher Einfluss des Sauerstoffs auf die jeweils an den Polarisationszeitraum anschließenden Depolarisationszeitraum. Dabei ist vor allem ein starker Effekt auf die Spannung direkt zu Beginn der Depolarisation messbar: mit zunehmendem Sauerstoffgehalt sinkt zu dieser Zeit die gemessene Spannung, während am Ende der Depolarisation, also nach 3 s, eine nahezu sauerstoffunabhängige Depolarisationsspannung erreicht wird. Während die Spannung direkt nach erfolgter 2 V-Polarisation der Platinelektroden unter 1 % Sauerstoff bei 1,43 V liegt, ist die Polarisierbarkeit bei höheren O2-Konzentrationen deutlich geringer, sodass unter 20 % Sauerstoff eine Spannung von lediglich 1.07 V direkt zu Beginn der Entladung gemessen wird. Diese Eigenschaften sind in den 3 und 4 dargestellt. 3 zeigt den Verlauf der Spannung während einer Depolarisation für verschiedene Sauerstoffkonzentrationen. 4 zeigt die ersten 500 ms des Verlaufs, wobei sichtbar wird, dass die Sauerstoffkonzentration einen Einfluss auf die Spannung direkt zu Beginn des Depolarisationszeitraums nimmt. Die Temperatur des Gassensors beträgt bei diesen Messungen 526 °C.
Es kann daher mit der Erfindung vorteilhaft mit einem vergleichsweise einfach aufgebauten Sensor der Sauerstoffgehalt des umgebenden Gasgemischs detektiert werden. So ist es nicht mehr notwendig, den Aufbau so zu gestalten, dass eine der Elektroden mit einem Referenzgas in Kontakt steht und isoliert ist vom zu vermessenden Gasgemisch. Da das Referenzgas üblicherweise die Umgebungsluft ist, wird hierfür im Stand der Technik beispielsweise ein Zugang für die Umgebungsluft zu einer als Kammer geformten Innenseite im Zirkonoxid geschaffen, was einen erheblichen Aufwand bei der Herstellung bedingt. Somit können neben der günstigeren Herstellung, beispielsweise mittels Planartechnik auch teure Rohstoffe eingespart werden. Weiterhin hat der Sensor ein weitaus besseres Potential, sehr klein ausgeführt zu werden.
Mit der Erfindung kann die Sauerstoffkonzentrationen in Anwendungen ermittelt werden, in denen die für herkömmliche Sensoren notwendige Zuführung des Referenzgases nicht möglich ist. So kann der Sensor die Sauerstoffmessung innerhalb des Abgastrakts großer Verbrennungsanlagen ermöglichen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Gassensors und Verfahrens umfassen:

– Der Gassensor kann eine Beheizungseinrichtung aufweisen, die zur Beheizung des Sauerstoffionenleiters und der Elektroden wenigstens 450 °C, insbesondere wenigstens 500 °C ausgestaltet ist. Beispielsweise kann hier ein elektrischer Widerstandsheizer vorgesehen sein, beispielsweise in Form einer in Dick- oder Dünnschichttechnik realisierte Platin-Leiterschleife. Die Leiterschleife kann gleichzeitig als Temperatursensor dienen. Alternativ kann ein zusätzlicher Leiter als Temperatursensor vorhanden sein. Die Steuereinrichtung ist zweckmäßig ausgebildet, die Beheizungseinrichtung beim Betrieb des Gassensors derart einzustellen, dass der Gassensor eine Temperatur von wenigstens 450 °C aufweist, insbesondere wenigstens 500 °C oder sogar wenigstens 550 °C.
– Die Elektroden können aus dem gleichen Material bestehen. Hierdurch wird die Herstellung des Sensors vereinfacht. Messungen haben gezeigt, dass auch mit gleichartigen Elektroden bestimmte Gase detektiert werden können, wenn beide Elektroden dem zu messenden Gasgemisch ausgesetzt sind.
– Die Elektroden können als Interdigitalelektroden ausgestaltet sein. Damit wird eine Verbesserung der Signalqualität erreicht.
– Besonders vorteilhaft kann der Gassensor zusätzlich zur Detektion von Stickoxiden im Gasgemisch ausgestaltet sein. Dafür ist die Beheizungseinrichtung ausgestaltet, während einer oder mehrerer Sauerstoffmesszeiten umfassend eine Folge von Polarisationszeiträumen den Sauerstoffionenleiters und die Elektroden auf wenigstens 450 °C, insbesondere wenigstens 500 °C oder wenigstens 550 °C, zu beheizen und während einer oder mehrerer Stickoxidmesszeiten bestehend aus einer oder mehreren Folgen von Polarisationszeitraum und Depolarisationszeitraum den Sauerstoffionenleiters und die Elektroden auf eine Temperatur zu beheizen, bei der Sauerstoffionenleitung besteht, insbesondere auf zwischen 350 °C und 450 °C. Je nach Temperatur des Gasgemischs, in das der Gassensor eingebettet ist, kann es auch sein, dass in den Stickoxidmesszeiten keine Beheizung notwendig ist, sondern der Sensor durch die Umgebungstemperatur bereits auf ausreichender Temperatur ist.

Hierdurch wird ein Gassensor realisiert, der nicht nur Sauerstoff, sondern auch Stickoxide mit nur einem Sensorelement vermessen kann.

– Der Gassensor kann mehr als zwei, insbesondere drei oder vier Elektroden aufweisen, wobei die Elektroden derart angeordnet sind, dass sie bei einem Betrieb des Gassensors mit dem Gasgemisch in Kontakt treten. Dabei können beispielsweise zwei der Elektroden auf einer Seite des ionenleitenden Materials angeordnet sein, während die dritte oder die dritte und vierte Elektrode auf der anderen Seite des ionenleitenden Materials angeordnet sind. Mit den weiteren Elektroden lassen sich mehrere Verbesserungen erreichen. So kann das Einprägen einer Spannung während eines jeweiligen Polarisationszeitraums für die verschiedenen Paare von Elektroden mit zeitlichem Versatz erfolgen, also mit anderen Worten phasenverschoben. Damit wird häufiger ein Messpunkt erzeugt und damit die zeitliche Auflösung verbessert. Alternativ oder zusätzlich können Paare von Elektroden in Serie geschaltet werden und damit eine Verbesserung des Signalhubs erreicht werden.
– Der Sauerstoffionenleiter kann porös ausgestaltet sein. Bei einem Sensor aus dem Stand der Technik, bei dem das ionenleitende Material sowohl an das zu vermessende Gasgemisch als auch an beispielsweise Umgebungsluft grenzt, führen die Gradienten im Partialdruck der verschiedenen Gase zu einer Diffusion der Gase durch das ionenleitende Material, was zu einer Verschlechterung des Sensorsignals führt. Da beim vorliegenden Sensor das ionenleitende Material nicht mehr an die Umgebungsluft angrenzt, sondern zweckmäßig von allen Seiten vom zu vermessenden Gas oder einem festen Körper umgeben ist, passiert keine solche Diffusion mehr und ein poröses, insbesondere offenporiges Material kann verwendet werden. Vorteilhaft ist ein poröses ionenleitendes Material leichter herzustellen, stabiler gegenüber den Belastungen durch wechselnde Temperaturen und weist eine höhere spezifische Oberfläche auf, was für die Interaktion mit Gasen und damit für das Sensorsignal Vorteile bringt.
– In aufeinander folgenden Polarisationszeiträumen kann die Polarität der angelegten Spannung abwechseln. Mit anderen Worten folgt auf einen Polarisationszeitraum, bei dem eine positive Spannung an die Elektroden angelegt wird, nach dem zugehörigen Depolarisationszeitraum ein Polarisationszeitraum, an dem eine negative Spannung an die Elektroden angelegt wird und umgekehrt.
– Vor einem Polarisationszeitraum können die Elektroden zeitweilig kurzgeschlossen werden, um Restspannung der vorhergehenden Polarisierung abzubauen. Zweckmäßig wird das Kurzschließen durchgeführt, wenn in aufeinander folgenden Polarisationszeiträumen die gleiche Polarität der angelegten Spannung verwendet wird.
– Zweckmäßig wird jeder Depolarisationszeitraum bei Erreichen eines Abbruchkriteriums beendet, insbesondere nach Ablauf einer festlegbaren Zeitdauer oder bei Erreichen einer festlegbaren Spannung zwischen den Elektroden. In den Stickoxidmesszeiten kann eine Bestimmung des Gehalts von Stickoxiden im Gasgemisch durchgeführt werden und dazu als Messsignal die Spannung oder der Strom zwischen den Elektroden im Depolarisationszeitraum, insbesondere zum Ende des Depolarisationszeitraums bestimmt werden. Wird als Abbruchkriterium das betragsmäßige Erreichen einer festlegbaren Abbruchspannung verwendet, so kann die Zeit innerhalb des Depolarisationszeitraums bis zum Erreichen des Abbruchkriteriums als Messsignal verwendet werden.
– Zweckmäßig umfasst der Gassensor elektrische Anschlüsse an die Elektroden und Mittel, diese mit einer Spannung zu beaufschlagen sowie eine Einrichtung zur Messung der Spannung zwischen den Elektroden während der daran anschließenden Depolarisation.
– Das ionenleitende Material kann beispielsweise yttriumstabilisiertes Zirkonoxid (YSZ) sein. Es kann selbst als Träger für die Elektroden fungieren. Alternativ ist es auch möglich, dass das ionenleitende Material als Schicht auf einem Träger, beispielsweise aus Aluminiumoxid, aufgebracht ist. Die Elektroden sind dann zweckmäßig wiederum auf der Schicht aus dem ionenleitenden Material aufgebracht. Die Elektroden selbst sind zweckmäßig aus Platin.

Zur Vermessung von Stickstoff wird bevorzugt für eine festlegbare erste Zeitspanne von bevorzugt zwischen 0,1 s und 1 s, insbesondere 0,5 s, eine Spannung an das Paar der Elektroden angelegt. Danach wird für eine zweite Zeitspanne die Entladung beobachtet und die Spannung aufgezeichnet. Das Spannungsniveau nach einer Zeitspanne von beispielsweise 3 s ist dann das Sensorsignal. Sodann wird dieser Vorgang wiederholt. Sehr vorteilhaft ist es dabei, wenn die Polarität der in der ersten Zeitspanne angelegten Spannung abwechselnd vertauscht wird.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigen schematisch
5 eine erste Variante eines Gassensors gemäß der Erfindung mit zwei Elektroden,
6 eine zweite Variante eines Gassensors gemäß der Erfindung mit Interdigitalelektroden in Seitenansicht,
7 die Elektrodenstruktur der zweiten Variante eines Gassensors gemäß der Erfindung mit Interdigitalelektroden,
8 ein Schema für ein erstes Messverfahren gemäß der Erfindung,
9 ein Schema für ein zweites Messverfahren gemäß der Erfindung,
10 ein Schema für ein drittes Messverfahren gemäß der Erfindung.
5 zeigt stark schematisiert einen ersten Gassensor 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel für die Erfindung. Dieser umfasst einen Block 11 aus YSZ-Material. Der Block 11 ist 0,25 mm dick und 5 mm breit und tief. Auf einer ersten Seite dieses Blocks 11 ist eine erste Platin-Elektrode 12 angeordnet, während auf einer zweiten Seite, die der ersten Seite gegenüber liegt, eine zweite Platin-Elektrode 13 aufgebracht ist. Die Platin-Elektroden 12, 13 sind elektrisch mit einer Einrichtung 14 zur Erzeugung und Messung von Spannung und/oder Strom verbunden. In 5 nicht dargestellt sind Mittel, mit denen der erste Gassensor 10 in einen mit dem zu vermessenden Gasgemisch gefüllten Raum eingebracht werden kann, beispielsweise ein Flansch zum Einschrauben in eine entsprechend ausgestaltete Öffnung. Diese Mittel und der Gassensor 10 sind so gestaltet, dass nach Anbringen des Gassensors 10 sowohl die erste als auch die zweite Platin-Elektrode 12, 13 direkt mit dem Gasgemisch in Kontakt stehen. Eine Berührung des Blocks 11 mit beispielsweise der Umgebungsluft hingegen wird dabei zweckmäßig vermieden.
Die 6 und 7 zeigen einen zweiten Gassensor 20 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel für die Erfindung. Der zweite Gassensor 20 umfasst ebenfalls einen Block 11 aus YSZ-Material. Der Block 11 ist beim zweiten Gassensor 20 150 µm dick, 5 mm breit und 6 mm tief. Auf einer ersten Seite dieses Blocks 11 sind nun im Gegensatz zum ersten Gassensor 10 sowohl die erste Platin-Elektrode 12 als auch die zweite Platin-Elektrode 13 angeordnet. Diese sind im zweiten Ausführungsbeispiel als Interdigitalelektroden, also mit ineinandergreifenden Fingern ausgestaltet. Sie sind wiederum nach außen verbunden über 100 µm dicke Platin-Drähte.
Auf der zweiten Seite, die der ersten Seite gegenüber liegt, ist bei dem zweiten Gassensor 20 eine Schicht 21 zur elektrischen Isolation aufgebracht. Auf dieser wiederum ist eine aus Platin bestehende Heizstruktur 22 angeordnet. Durch diesen Aufbau ist der zweite Gassensor 20 beheizbar gestaltet. Zur Temperaturkontrolle kann einerseits die Heizstruktur 22 selbst verwendet werden. Alternativ ist es auch möglich, dass ein zusätzlicher Temperaturfühler dafür vorgesehen ist.
Mögliche Betriebsformen für die Gassensoren 10, 20 sind in den 8 bis 10 schematisch anhand von Spannung-Zeit-Diagrammen gezeigt.
In einer ersten Betriebsform gemäß 8 wird im Betrieb des Gassensors 10 mittels der Einrichtung 14 während Pulszeiträumen 82, 84, 86 eine Spannung an die Platin-Elektroden 12, 13 angelegt. Zwischen den Pulszeiträumen 82, 84, 86 werden die Elektroden 12, 13 kurzgeschlossen, um die Spannung zwischen ihnen zurückzusetzen und eine unbeeinflusste neue Messung zu ermöglichen. Während der Pulszeiträume 82, 84, 86 wird der fließende Strom zu wenigstens einer Zeit gemessen und summiert (bei mehreren Zeiten), um die fließende Ladung zu ermitteln, die ein Maß für den Sauerstoffgehalt des umgebenden Gasgemischs ist.
Der Gassensor 10, 20 wird dabei für die Sauerstoffmessung idealerweise auf einer Temperatur von 500 °C oder mehr, insbesondere 520 °C gehalten. Dies kann durch die Heizstruktur 22 geschehen, sofern das umgebende Gasgemisch nicht selbst für eine entsprechende Temperatur sorgt.
Eine zweite Betriebsform zeigt die 9. Bei diesem Messverfahren wird eine Spannung entsprechend der in 9 dargestellten Spannungskurve 91 an die Elektroden 12, 13 angelegt. Dabei in den aufeinanderfolgenden Pulszeiträumen 82, 84, 86 jeweils eine Spannung gleicher Amplitude, aber wechselnder Polarität angelegt. Dadurch kann das Kurzschließen der Elektroden 12, 13 entfallen. Analog zur ersten Betriebsform wird während der Pulszeiträume 82, 84, 86 der fließende Strom zu wenigstens einer Zeit gemessen und summiert (bei mehreren Zeiten), um die fließende Ladung zu ermitteln, die wiederum ein Maß für den Sauerstoffgehalt des umgebenden Gasgemischs ist.
Eine dritte Betriebsform ist in 10 dargestellt. Hier befinden sich zwischen aufeinander folgenden Pulszeiträumen 82, 84, 86 Depolarisationszeiträume 83, 85, in denen keine Spannung an die Elektroden angelegt wird. Für die reine Sauerstoffmessung ist diese Betriebsform unnötig und verlängert die Zeiten zwischen Messsignalen für die Sauerstoffkonzentration. Soll jedoch neben der Sauerstoffkonzentration noch das Vorhandensein von Stickoxiden vermessen werden, ist die dritte Betriebsform für die Vermessung von Stickoxiden zweckmäßig. Dabei wird als Messsignal für die Konzentration von Stickoxiden beispielsweise die Spannung zum Ende eines jeweiligen Depolarisationszeitraums 83, 85 verwendet.
Dabei kann zwischen einem Betrieb als Sauerstoffsensor und einem Betrieb als Stickoxidsensor gewechselt werden. Der Betrieb als Stickoxidsensor umfasst dabei eine oder mehrere Folgen von Pulszeiträumen 82, 84, 86 und Depolarisationszeiträumen 83, 85, bei denen die Temperatur des Gassensors auf beispielsweise 350 °C gehalten wird. Der Betrieb als Sauerstoffsensor umfasst eine Folge von Pulszeiträumen 82, 84, 86 entsprechend der ersten oder zweiten Betriebsform. Alternativ kann beim Betrieb als Sauerstoffsensor ebenfalls die dritte Betriebsform verwendet werden, wenn auch die Depolarisationszeiträume 83, 85 in diesem Fall nicht verwendet werden. Im Betrieb als Sauerstoffsensor wird die Temperatur des Gassensors 10, 20 auf 500 °C oder mehr gehalten.
Alternativ kann auch eine Messung von Sauerstoff und Stickoxiden parallel stattfinden. Dabei wird eine geeignete Temperatur für den Gassensor festgehalten, die beide Messungen erlaubt. Der Betrieb des Gassensors umfasst dabei eine oder mehrere Folgen von Pulszeiträumen 82, 84, 86 und Depolarisationszeiträumen 83, 85.

Claims

Gassensor (10, 20) zur Detektion von Sauerstoff in einem Gasgemisch mit – einem Sauerstoffionenleiter (11) und – wenigstens zwei auf dem Sauerstoffionenleiter (11) angeordneten Elektroden (12, 13), wobei der Gassensor (10, 20) derart gestaltet ist, dass bei einem Betrieb des Gassensors (10, 20) wenigstens zwei der Elektroden (12, 13) mit dem Gasgemisch in Kontakt treten, – einer Steuereinrichtung (14), ausgestaltet zum Anlegen einer Polarisationsspannung oder eines Polarisationsstroms an die Elektroden (12, 13) während eines Polarisationszeitraums (82, 84, 86), – einer Messeinrichtung zur Messung des Stroms oder der Spannung an den Elektroden (12, 13), – einer Auswerteeinrichtung zur Bestimmung des Sauerstoffgehalts aus der gemessenen Spannung bzw. dem gemessenen Strom, wobei der Sauerstoffgehalt aus – dem Strom während, insbesondere zum Ende, des Polarisationszeitraums (82, 84, 86), oder – der geflossenen Ladung über den Polarisationszeitraum (82, 84, 86) oder – der Spannung direkt nach dem Polarisationszeitraum (82, 84, 86) ermittelt wird.
Gassensor (10, 20) gemäß Anspruch 1 mit einer Beheizungseinrichtung (22), ausgestaltet zur Beheizung des Sauerstoffionenleiters (11) und der Elektroden (12, 13) wenigstens 450 °C, insbesondere wenigstens 500 °C.
Gassensor (10, 20) gemäß Anspruch 2, der zusätzlich zur Detektion von Stickoxiden im Gasgemisch ausgestaltet ist.
Gassensor (10, 20) gemäß Anspruch 3, ausgestaltet zur sequentiellen Messung von Sauerstoff und Stickoxiden, bei dem die Beheizungseinrichtung ausgestaltet ist, – während einer oder mehrerer Sauerstoffmesszeiten umfassend wenigstens eine Folge von Polarisationszeiträumen den Sauerstoffionenleiter (11) und die Elektroden (12, 13) auf wenigstens 450 °C, insbesondere wenigstens 500 °C, zu beheizen und – während einer oder mehrerer Stickoxidmesszeiten bestehend aus einer oder mehreren Folgen von Polarisationszeitraum (82, 84, 86) und Depolarisationszeitraum (82, 84, 86) den Sauerstoffionenleiter (11) und die Elektroden (12, 13) auf eine Temperatur zu beheizen, bei der Sauerstoffionenleitung besteht, insbesondere auf zwischen 350 °C und 450 °C.
Gassensor (10, 20) gemäß Anspruch 3, ausgestaltet zur parallelen Messung von Sauerstoff und Stickoxiden, bei dem die Beheizungseinrichtung ausgestaltet ist, den Sauerstoffionenleiter (11) und die Elektroden (12, 13) auf eine Temperatur zwischen 350 °C und 450 °C zu beheizen.
Gassensor (10, 20) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Elektroden (12, 13) aus dem gleichen Material bestehen.
Gassensor (10, 20) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Elektroden (12, 13) als Interdigitalelektroden (12, 13) ausgestaltet sind.
Gassensor (10, 20) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche mit drei oder mehr Elektroden (12, 13), wobei die Elektroden (12, 13) aus dem gleichen Material bestehen und derart angeordnet sind, dass wenigstens zwei der Elektroden bei einem Betrieb des Gassensors (10, 20) mit dem Gasgemisch in Kontakt treten.
Gassensor (10, 20) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Sauerstoffionenleiter (11) porös ist.
Verfahren zur Detektion von Sauerstoff in einem Gasgemisch, bei dem – ein Gassensor (10, 20) verwendet wird, der einen Sauerstoffionenleiter (11) und wenigstens zwei auf diesem angeordnete Elektroden (12, 13) umfasst, – der Gassensor (10, 20) derart mit dem Gasgemisch in Verbindung gebracht wird, dass beide Elektroden (12, 13) mit dem Gasgemisch in Kontakt treten, – während eines Polarisationszeitraums (82, 84, 86) eine Polarisationsspannung oder ein Polarisationsstrom an die Elektroden (12, 13) angelegt wird, – der Strom oder die Spannung an den Elektroden (12, 13) gemessen wird, – der Sauerstoffgehalt im Gasgemisch aus der gemessenen Spannung bzw. dem gemessenen Strom bestimmt wird, wobei der Sauerstoffgehalt aus – dem Strom während, insbesondere zum Ende, des Polarisationszeitraums (82, 84, 86), oder – der geflossenen Ladung über den Polarisationszeitraum (82, 84, 86) oder – der Spannung direkt nach dem Polarisationszeitraum (82, 84, 86) ermittelt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 10, bei dem der Sauerstoffionenleiter (11) und die Elektroden (12, 13) auf einer Temperatur von wenigstens 450 °C, insbesondere wenigstens 500 °C gehalten werden.
Verfahren gemäß Anspruch 10 oder 11, bei dem in aufeinander folgenden Polarisationszeiträumen die Polarität der angelegten Spannung abwechselt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 10 bis 12, bei dem der Depolarisationszeitraums (82, 84, 86) bei Erreichen eines Abbruchkriteriums, insbesondere nach Ablauf einer festlegbaren Zeitdauer oder bei Erreichen einer festlegbaren Spannung zwischen den Elektroden (12, 13) beendet wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 10 bis 13 zur Detektion von Sauerstoff und Stickoxiden im Gasgemisch, bei dem Sauerstoff und Stickoxide sequentiell gemessen werden und – während einer oder mehrerer Sauerstoffmesszeiten umfassend eine Folge von Polarisationszeiträumen und Depolarisationszeitraum (82, 84, 86) der Sauerstoffionenleiter (11) und die Elektroden (12, 13) auf wenigstens 450 °C, insbesondere wenigstens 500 °C beheizt werden und – während einer oder mehrerer Stickoxidmesszeiten bestehend aus einer oder mehreren Folgen von Polarisationszeitraum (82, 84, 86) und Depolarisationszeitraum (82, 84, 86) der Sauerstoffionenleiter (11) und die Elektroden (12, 13) auf eine Temperatur beheizt werden, bei der Sauerstoffionenleitung besteht, insbesondere auf zwischen 350 °C und 450 °C.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 10 bis 13 zur Detektion von Sauerstoff und Stickoxiden im Gasgemisch, bei dem Sauerstoff und Stickoxide parallel gemessen werden und der Sauerstoffionenleiter (11) und die Elektroden (12, 13) auf eine Temperatur zwischen 350 °C und 450 °C beheizt werden.
Verfahren gemäß Anspruch 14 oder 15, bei dem in den Stickoxidmesszeiten eine Bestimmung des Gehalts von Stickoxiden im Gasgemisch durchgeführt wird, und dazu als Messsignal die Spannung oder der Strom zwischen den Elektroden (12, 13) im Depolarisationszeitraum (82, 84, 86), insbesondere zum Ende des Depolarisationszeitraums (82, 84, 86) bestimmt wird.