DE102014224009A1 - Apparatus and method for determining a property of a gas in a sample gas space - Google Patents

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Harald Guenschel
Lothar Diehl
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    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/416—Systems
    • G01N27/417—Systems using cells, i.e. more than one cell and probes with solid electrolytes

Abstract

Es wird eine Vorrichtung (110) zur Bestimmung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum (112) vorgeschlagen, insbesondere zur Erfassung eines Anteils mindestens einer Gaskomponente. Die Vorrichtung (110) weist mindestens ein Sensorelement (114) und mindestens eine Ansteuerung (118) auf. Das Sensorelement (114) umfasst hierbei mindestens eine Pumpzelle (136) mit mindestens einer ersten Elektrode (120) und mindestens einer zweiten Elektrode (122) sowie mindestens einem die erste Elektrode (120) und die zweite Elektrode (122) verbindenden Festelektrolyten (124). Die erste Elektrode (120) ist mit Gas aus dem Messgasraum (112) beaufschlagbar. Die zweite Elektrode (122) ist in mindestens einem Referenzgasraum (132) angeordnet, insbesondere einem Referenzgaskanal (134), wobei der Referenzgasraum (132) durch mindestens eine Drossel (138) von dem Messgasraum (112) abgetrennt ist. Erfindungsgemäß verfügt das Sensorelement (114) weiterhin über eine in den Festelektrolyten (124) eingebrachte zweite Pumpzelle (156) mit mindestens einer dritten Elektrode (160) und mindestens einer vierten Elektrode (162). Hierbei ist die dritte Elektrode (160) in dem Referenzgasraum (132) angeordnet ist und über eine elektronenleitende Verbindung (158) an die vierte Elektrode (162) angeschlossen.A device (110) for determining at least one property of a gas in a measurement gas space (112) is proposed, in particular for detecting a proportion of at least one gas component. The device (110) has at least one sensor element (114) and at least one drive (118). In this case, the sensor element (114) comprises at least one pump cell (136) with at least one first electrode (120) and at least one second electrode (122) and at least one solid electrolyte (124) connecting the first electrode (120) and the second electrode (122). , The first electrode (120) can be acted upon with gas from the measuring gas space (112). The second electrode (122) is arranged in at least one reference gas space (132), in particular a reference gas channel (134), wherein the reference gas space (132) is separated from the sample gas space (112) by at least one throttle (138). According to the invention, the sensor element (114) furthermore has a second pumping cell (156) introduced into the solid electrolyte (124) with at least one third electrode (160) and at least one fourth electrode (162). Here, the third electrode (160) in the reference gas space (132) is arranged and connected via an electron-conducting connection (158) to the fourth electrode (162).

Description

Stand der Technik State of the art

Die Erfindung geht von bekannten Sensorelementen aus, welche auf ionenleitenden Eigenschaften bestimmter Festkörper basieren, also auf der Verwendung so genannter Festelektrolyte, welche insbesondere als keramische Festelektrolyte ausgestaltet sein können. Beispiele derartiger Festelektrolyte, welche grundsätzlich eine oder mehrere Ionenarten leiten können, sind sauerstoffionenleitende Festelektrolyte, insbesondere auf der Basis von Zirkoniumdioxid. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung können z.B. Festelektrolyte insbesondere in Form von ebenen Schichten aus Yttrium-stabilisiertem Zirkoniumdioxid (YSZ) und/oder Scandium-dotiertem Zirkoniumdioxid (ScSZ) verwendet werden, welche aufeinander aufgebracht sind und in welche weitere Elemente des Sensorelements eingebracht sind. Sensorelemente auf der Basis keramischer Festelektrolyte werden beispielsweise in Konrad Reif, Hrsg., Sensoren im Kraftfahrzeug, 2. Auflage, Springer Vieweg, 2012, Seite 160 bis 165 beschrieben. Die dort dargestellten Sensorelemente können auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung eingesetzt und modifiziert werden. Auch andere Sensorelemente sind jedoch grundsätzlich einsetzbar. The invention is based on known sensor elements, which are based on ion-conducting properties of certain solids, ie on the use of so-called solid electrolytes, which may be configured in particular as ceramic solid electrolytes. Examples of such solid electrolytes, which can in principle conduct one or more types of ions, are oxygen-ion-conducting solid electrolytes, in particular based on zirconium dioxide. In the context of the present invention, it is possible, for example, to use solid electrolytes, in particular in the form of planar layers of yttrium-stabilized zirconium dioxide (YSZ) and / or scandium-doped zirconium dioxide (ScSZ), which are applied to one another and into which further elements of the sensor element are introduced. Sensor elements based on ceramic solid electrolytes are used, for example, in Konrad Reif, ed., Sensors in Motor Vehicles, 2nd edition, Springer Vieweg, 2012, pages 160 to 165 described. The sensor elements shown there can also be used and modified in the context of the present invention. However, other sensor elements are basically used.

Viele derartiger Sensorelemente basieren auf der Verwendung einer oder mehrerer so genannter Pumpzellen. Beispielsweise sind Breitband-Lambdasonden bekannt, welche nach dem Grenzstromprinzip arbeiten und als Einzeller oder Mehrzeller aufgebaut sein können. Bei derartigen Sensorelementen wird an mindestens einer Pumpzelle ein Pumpstrom als Funktion einer Pumpspannung erfasst und aus dem Pumpstrom auf einen Sauerstoffanteil in dem Gas geschlossen. Auch alternative, prinzipiell gleichwertige Messprinzipien sind bekannt. Allgemein sind aus dem Stand der Technik z.B. einzellige Breitband-Lambdasonden bekannt, bei welchen eine Elektrode mittels einer Diffusionsbarriere mit Abgas beaufschlagbar ist, wohingegen die andere Elektrode einer die Elektroden umfassenden Pumpzelle in einem Referenzkanal angeordnet ist. Many such sensor elements are based on the use of one or more so-called pump cells. For example, broadband lambda probes are known which operate according to the limiting current principle and can be constructed as a single cell or multiple cell. In such sensor elements, a pumping current is detected as a function of a pumping voltage on at least one pumping cell and closed from the pumping current to an oxygen content in the gas. Alternative, basically equivalent measurement principles are known. In general, the prior art, e.g. single-celled broadband lambda probes are known in which an electrode can be acted upon by means of a diffusion barrier with exhaust gas, whereas the other electrode of a pump cell comprising the electrodes is arranged in a reference channel.

Neuere einzellige Sensortypen weisen dabei lediglich einen Referenzkanal mit einem kleinen Grenzstrom auf, welcher auch als Abluftkanal oder ALK bezeichnet wird. Vorzugsweise verfügt der Abluftkanal über eine Engstelle in Form einer Drossel, welche vorzugsweise als poröse Schicht ausgestaltet ist, wodurch ein an die Pumpzelle angrenzender Referenzgasraum ausgebildet wird, welcher durch die Drossel von dem Messgasraum getrennt ist. Auf diese Weise lässt sich einem Aufbau eines Überdrucks in dem Sensorelement entgegenwirken. Newer unicellular sensor types have only one reference channel with a small limiting current, which is also referred to as exhaust duct or ALK. Preferably, the exhaust duct has a constriction in the form of a throttle, which is preferably designed as a porous layer, whereby a reference gas space adjacent to the pump cell is formed, which is separated by the throttle from the sample gas space. In this way, it is possible to counteract the buildup of overpressure in the sensor element.

Derartige Sensorelemente können jedoch in der Regel nur im mageren Abgas eingesetzt werden, da im fetten Abgas der Grenzstrom des Abluftkanals überschritten wird und der entleerte Abluftkanal ein zu kleines Signal liefert. Weiterhin kann dieser Sensor in einem so genannten „Breathing-Modus“ betrieben werden, in welchem der Referenzgasraum derart aufgepumpt wird, um über einen kurzen Zeitraum, beispielsweise für 30 s, in einem Fettgasbereich betrieben werden zu können. Für viele Betriebsarten reicht dies aus, um kurze Fettphasen, wie beispielsweise eine NSC-Regeneration (NSC: NOx-Storage-Catalyst, NOx-Speicherkatalysator), zu erfassen. However, such sensor elements can generally only be used in the lean exhaust gas, since in the rich exhaust gas the limiting flow of the exhaust air duct is exceeded and the exhausted exhaust duct delivers too small a signal. Furthermore, this sensor can be operated in a so-called "breathing mode", in which the reference gas space is inflated in such a way that it can be operated over a short period of time, for example for 30 s, in a rich gas range. For many modes, this is sufficient to detect short fat phases, such as NSC regeneration (NSC: NO x storage catalyst, NO x storage catalyst).

Aus der DE 10 2006 062 054 A1 und der DE 10 2006 062 055 A1 sind Breitband-Lambdasonden bekannt, welche mit einem hohen Offsetstrom beaufschlagt werden, um auf diese Weise die Kennlinie der Sonden vollständig in den Magerbereich zu verlegen. From the DE 10 2006 062 054 A1 and the DE 10 2006 062 055 A1 Wideband lambda probes are known, which are acted upon by a high offset current, in order to lay the characteristic of the probes completely in the lean area in this way.

Die DE 199 60954 B4 offenbart ein Sensorelement, in welchem ein Referenzgas über eine entsprechend ausgestaltete Isolation des Heizelements in den Referenzgasraum zugeführt wird. The DE 199 60954 B4 discloses a sensor element in which a reference gas is supplied via a correspondingly configured insulation of the heating element in the reference gas space.

Bei bekannten, einzelligen Breitband-Lambdasonden kann eine dem Abgas zugewandte erste Elektrode (auch als Innenpumpelektrode oder IPE bezeichnet) auf ein künstlich festgelegtes Potenzial von 2,5 V gelegt werden. Die zweite Elektrode, welche auch als Abluftelektrode oder ALE bezeichnet wird, kann hingegen in dem Abluftkanal angeordnet sein. Sie wird in der Regel elektronisch geregelt auf eine Pumpspannung in einem Bereich von 200 mV bis 900 mV, um gleichermaßen ein Pumpen in beide Richtungen bei magerem bzw. fettem Abgas zu ermöglichen. Die Messung des Pumpstroms erfolgt in der Regel an der zweiten Elektrode, d.h. an der Abluftelektrode ALE. In known, single-cell, broadband lambda probes, a first electrode facing the exhaust gas (also referred to as inner pumping electrode or IPE) can be set to an artificially fixed potential of 2.5 V. The second electrode, which is also referred to as exhaust air electrode or ALE, however, can be arranged in the exhaust air duct. It is typically electronically controlled to a pumping voltage in the range of 200 mV to 900 mV to equally allow for pumping in both directions with lean or rich exhaust gas. The measurement of the pumping current is usually at the second electrode, i. at the exhaust air electrode ALE.

Die DE 10 2010 040 813 A1 offenbart ein Sensorelement mit einem offenen Referenzgasraum, welcher insbesondere dazu eingerichtet ist, um einen Aufbau eines Überdrucks in den Abluftkanal zu vermeiden. Auf diese Weise wird ein Strömungsaustritt aus dem Referenzgasraum gegenüber einem Diffusionseintritt von Fettgasen in den Referenzgasraum erleichtert. The DE 10 2010 040 813 A1 discloses a sensor element with an open reference gas space, which is in particular adapted to avoid a build-up of an overpressure in the exhaust air duct. In this way, a flow outlet from the reference gas space is facilitated with respect to a diffusion of fat gases into the reference gas space.

Die DE 10 2010 031 299 A1 offenbart ein Sensorelement, welches weiterhin mindestens eine dritte Elektrode aufweist, wobei die dritte Elektrode und die zweite Elektrode eine zweite Pumpzelle ausbilden. Hierbei ist die zweite Elektrode mit einer virtuellen Masse verbunden ist, worunter eine Spannungsquelle, insbesondere eine Konstantspannungsquelle, zu verstehen ist, welche ein Potenzial der zweiten Elektrode festlegt, vorzugsweise auf einen bestimmten Wert relativ zu einer Masse, insbesondere auf ein Elektrodenpotenzial in einem Bereich von 0,2 V bis 2,5 V. Hierbei wird von dem Heizelement oder einer zusätzlich auf Masse liegenden äußeren Pumpelektrode APE vorzugsweise kontinuierlich Sauerstoff zu der Abluftelektrode ALE transportiert, wodurch in dem Abluftkanal ALK eine derart hohe Sauerstoffkonzentration vorliegen kann, dass ein kontinuierlicher Betrieb in dem Fettgasbereich des Sensorelements ermöglicht wird. An der inneren Pumpelektrode IPE wird hierbei der Pumpstrom für die erste Pumpzelle eingespeist und bestimmt. Hierbei kann das Elektrodenpotenzial der virtuellen Masse an das jeweilige Messsignal, das sich aus dem Pumpstrom ergibt, angepasst werden, indem bei Auftreten eines fetten Abgases das Elektrodenpotenzial angehoben wird. Die Bestimmung des Pumpstroms wird nur an der inneren Pumpelektrode IPE durchgeführt, welche durch das Abpumpen des in den Messgasraum gasförmig eindiffundierten Sauerstoffs eine Information über den Sauerstoffpartialdruck im Abgas enthält. The DE 10 2010 031 299 A1 discloses a sensor element further comprising at least a third electrode, wherein the third electrode and the second electrode form a second pumping cell. Here, the second electrode is connected to a virtual ground, which is to be understood as a voltage source, in particular a constant voltage source, which defines a potential of the second electrode, preferably to a specific value relative to a ground, in particular to an electrode potential in a range from 0.2 V to 2.5 V. In this case, oxygen is preferably transported continuously from the heating element or an additional external ground pumping electrode APE to the exhaust air electrode ALE, whereby in the exhaust air duct ALK such a high oxygen concentration may be present that a continuous operation in the rich gas region of the sensor element is made possible. In this case, the pumping current for the first pumping cell is fed and determined at the inner pumping electrode IPE. In this case, the electrode potential of the virtual mass can be adapted to the respective measurement signal that results from the pumping current by raising the electrode potential when a rich exhaust gas occurs. The determination of the pumping current is carried out only at the inner pumping electrode IPE, which contains information about the oxygen partial pressure in the exhaust gas by pumping out the oxygen which has been diffused in gaseous form into the measuring gas space.

In die einzellige Breitband-Lambdasonde kann jedoch Feuchtigkeit aus dem Messgasraum in das Sensorelement eindringen, welche insbesondere bei einem Betrieb des Sensorelements im oben beschriebenen Breathing-Modus nicht schnell genug entweichen und daher zu einem Aufbau eines hohen Drucks im Abluftkanal führen kann, welcher im Extremfall sogar ein Bersten des Sensorelements hervorrufen kann. Um ein derartiges Ereignis zu vermeiden, wird das Sensorelement bisher durch ein Anbringen von aufwändigen Dichtpackungen, die häufig über kostenträchtige Bornitrid-Dichtungen verfügen, geschützt. In the unicellular broadband lambda probe, however, moisture from the sample gas space can penetrate into the sensor element, which does not escape quickly enough especially in an operation of the sensor element in the above-described Breathing mode and therefore can lead to a build-up of high pressure in the exhaust duct, which in extreme cases may even cause a rupture of the sensor element. In order to avoid such an event, the sensor element is hitherto protected by attaching elaborate sealing packages, which often have costly boron nitride seals.

Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention

Es werden eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum vorgeschlagen, welche die oben beschriebenen Nachteile bekannter Vorrichtungen und Verfahren zumindest weitgehend vermeiden. Bei dem Gas kann es sich insbesondere um ein Abgas handeln, beispielsweise um das Abgas einer Verbrennungskraftmaschine. Bei dem Messgasraum kann es sich beispielsweise um einen Abgastrakt handeln. Bei der mindestens einen Eigenschaft des Gases in dem Messgasraum kann es sich grundsätzlich um eine beliebige physikalische und/oder chemische Eigenschaft des Gases handeln. Besonders bevorzugt ist es jedoch, wenn es sich bei dieser mindestens einen Eigenschaft um einen Anteil einer Gaskomponente in dem Gas handelt, beispielsweise einen mittels eines Partialdrucks, eines Prozentsatzes oder einer anderen Größe quantifizierbaren Anteil. Insbesondere kann es sich bei der Gaskomponente um Sauerstoff handeln. Auch andere Arten von Gaskomponenten sind jedoch nachweisbar. Die Eigenschaft kann qualitativ oder quantitativ nachgewiesen werden. Insbesondere kann es sich bei der Eigenschaft um einen Sauerstoffanteil handeln, beispielsweise um einen Sauerstoffpartialdruck und/oder eine Luftzahl, wovon im Folgenden, ohne Beschränkung weiterer möglicher Ausgestaltungen, ausgegangen werden soll. Die Vorrichtung kann somit insbesondere mindestens eine Lambdasonde umfassen. An apparatus and a method for determining at least one property of a gas in a measurement gas space are proposed, which at least largely avoid the disadvantages of known devices and methods described above. The gas may in particular be an exhaust gas, for example the exhaust gas of an internal combustion engine. The sample gas space may be, for example, an exhaust tract. The at least one property of the gas in the measurement gas space can basically be any physical and / or chemical property of the gas. However, it is particularly preferred if this at least one property is a fraction of a gas component in the gas, for example a proportion which can be quantified by means of a partial pressure, a percentage or another variable. In particular, the gas component may be oxygen. However, other types of gas components are detectable. The property can be detected qualitatively or quantitatively. In particular, the property may be an oxygen fraction, for example an oxygen partial pressure and / or an air number, which will be assumed below without restricting further possible embodiments. The device can thus in particular comprise at least one lambda probe.

Die Vorrichtung umfasst mindestens ein Sensorelement und mindestens eine Ansteuerung. Das Sensorelement kann beispielsweise als keramisches Sensorelement ausgestaltet sein und kann beispielsweise in einem Gehäuse aufgenommen sein. Beispielsweise kann das Sensorelement mindestens eine Lambdasonde umfassen oder als Lambdasonde ausgestaltet sein. Die mindestens eine Ansteuerung kann ganz oder teilweise in das Sensorelement integriert sein, kann jedoch auch vorzugsweise ganz oder teilweise getrennt von dem mindestens einen Sensorelement ausgestaltet sein. Die Ansteuerung kann beispielsweise eine oder mehrere elektronische Komponenten umfassen, um die im Folgenden beschriebenen Funktionen der Ansteuerung wahrzunehmen. So kann die Ansteuerung beispielsweise mindestens eine Pumpspannungsquelle zur Beaufschlagung der im Folgenden noch beschriebenen mindestens einen Pumpzelle mit einer Pumpspannung, mindestens eine Strommessvorrichtung zur Messung eines Pumpstroms durch die Pumpzelle, die mindestens eine virtuelle Masse in Form beispielsweise einer einstellbaren Spannungsquelle, sowie gegebenenfalls Kombinationen der genannten und/oder anderer elektronischer Elemente umfassen. Weiterhin kann die Ansteuerung beispielsweise auch eine oder mehrere Datenverarbeitungsvorrichtungen umfassen, um ein Verfahren gemäß der folgenden Beschreibung durchzuführen. Die Datenverarbeitungsvorrichtungen können jedoch auch als separate Einrichtungen ausgestaltet sein, welche über geeignete Verbindungen mit der Ansteuerung kommunizieren können. Die Ansteuerung kann dabei als zentrale Ansteuerung ausgestaltet sein, welche mit dem mindestens einen Sensorelement beispielsweise über mindestens eine Schnittstelle, beispielsweise mindestens einen Stecker, verbunden ist. Die Ansteuerung kann auch ganz oder teilweise als dezentrale Ansteuerung ausgestaltet sein. Die Ansteuerung kann beispielsweise auch Bestandteil einer Motorsteuerung eines Kraftfahrzeugs sein. Verschiedene Ausgestaltungen sind grundsätzlich möglich. The device comprises at least one sensor element and at least one drive. The sensor element can be designed, for example, as a ceramic sensor element and can be accommodated, for example, in a housing. For example, the sensor element may comprise at least one lambda probe or be designed as a lambda probe. The at least one drive can be completely or partially integrated into the sensor element, but can also be designed, preferably completely or partially, separately from the at least one sensor element. The control may include, for example, one or more electronic components to perform the functions of the control described below. Thus, for example, the drive may comprise at least one pump voltage source for applying at least one pump cell to a pump voltage, at least one current measuring device for measuring a pump current through the pump cell, at least one virtual ground in the form of an adjustable voltage source, for example, and combinations of those mentioned and / or other electronic elements. Further, the driver may also include, for example, one or more data processing devices to perform a method as described below. However, the data processing devices can also be configured as separate devices, which can communicate with the drive via suitable connections. The control can be configured as a central control, which is connected to the at least one sensor element, for example via at least one interface, for example at least one plug. The control can also be configured wholly or partly as a decentralized control. The control can for example also be part of an engine control of a motor vehicle. Various embodiments are possible in principle.

Das Sensorelement umfasst mindestens eine erste Pumpzelle mit mindestens einer ersten Elektrode und mindestens einer zweiten Elektrode sowie mindestens einem die erste Elektrode und die zweite Elektrode verbindenden Festelektrolyten. Bezüglich der möglichen Ausgestaltungen des Festelektrolyten kann beispielsweise auf die obige Beschreibung verwiesen werden. Die beiden Elektroden sowie auch die unten beschriebenen weiteren Elektroden können beispielsweise als Metall-Keramik-Elektroden ausgestaltet sein; insbesondere kann es sich hierbei um Platin-Cermet-Elektroden handeln. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch grundsätzlich möglich. The sensor element comprises at least one first pump cell having at least one first electrode and at least one second electrode and at least one solid electrolyte connecting the first electrode and the second electrode. With regard to the possible embodiments of the solid electrolyte, reference may be made, for example, to the above description. The two electrodes as well as the further electrodes described below can be configured for example as metal-ceramic electrodes; In particular, these may be platinum cermet electrodes. However, other embodiments are possible in principle.

Die erste Elektrode, welche auch als innere Pumpelektrode IPE bezeichnet werden kann, ist mit Gas aus dem Messgasraum beaufschlagbar. Dies kann auf unterschiedene Weisen erfolgen. Beispielsweise kann die erste Elektrode unmittelbar dem Gas aus dem Messgasraum ausgesetzt sein, beispielsweise indem die erste Elektrode auf einer Oberfläche eines Schichtaufbaus des Sensorelements angeordnet ist und/oder lediglich durch eine oder mehrere gasdurchlässige Schutzschichten von dem Messgasraum getrennt ist. Alternativ oder zusätzlich kann die erste Elektrode, welche auch mehrteilig ausgestaltet sein kann, auch im Inneren eines Schichtaufbaus des Sensorelements angeordnet sein, beispielsweise in einem Elektrodenhohlraum. In diesem Fall kann der Elektrodenhohlraum beispielsweise über mindestens ein Gaszutrittsloch mit dem Messgasraum verbunden sein. Besonders bevorzugt ist es, wenn die Verbindung zwischen dem Messgasraum und der ersten Elektrode bzw. dem optionalen Elektrodenhohlraum, in welchem die erste Elektrode angeordnet sein kann, über mindestens eine Diffusionsbarriere, also ein Element, welches ein Durchströmen von Gas zumindest weitgehend verhindert und lediglich einen Diffusionstransport erlaubt, erfolgt. Bezüglich möglicher Ausgestaltungen derartiger Diffusionsbarrieren kann auf den Stand der Technik verwiesen werden. The first electrode, which can also be referred to as the inner pumping electrode IPE, can be acted upon with gas from the measuring gas space. This can be done in different ways. For example, the first electrode may be exposed directly to the gas from the measurement gas space, for example by the first electrode being arranged on a surface of a layer structure of the sensor element and / or being separated from the measurement gas space by only one or more gas-permeable protective layers. Alternatively or additionally, the first electrode, which may also be designed in several parts, may also be arranged in the interior of a layer structure of the sensor element, for example in an electrode cavity. In this case, the electrode cavity can be connected, for example via at least one gas inlet hole with the sample gas space. It is particularly preferred if the connection between the measuring gas space and the first electrode or the optional electrode cavity, in which the first electrode can be arranged, via at least one diffusion barrier, ie an element which at least largely prevents gas from flowing through and only one Diffusion transport allowed. With respect to possible embodiments of such diffusion barriers, reference may be made to the prior art.

Die zweite Elektrode, welche auch als Abluftelektrode ALE bezeichnet werden kann, ist in mindestens einem Referenzgasraum angeordnet, also einem Raum, welcher von dem Messgasraum derart getrennt ist, dass sich unterschiedliche Gasgemische im Referenzgasraum und im Messgasraum ausbilden können, zwischen welchen ein Ausgleich zumindest auf einer Zeitskala erfolgt, welche lang im Vergleich zu üblichen Messvorgängen ist. Besonders bevorzugt ist es, wenn der Referenzgasraum vollständig von dem Messgasraum getrennt ist. Insbesondere kann es sich bei dem Referenzgasraum um einen Referenzgaskanal handeln. Beispielsweise kann dieser Referenzgaskanal als Luftreferenzkanal ausgestaltet sein, welcher die zweite Elektrode beispielsweise mit einer Umgebung eines Motorraums verbindet, die von dem Messgasraum, beispielsweise einem Abgastrakt einer Brennkraftmaschine, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, getrennt ausgebildet ist. Dementsprechend kann der Referenzgaskanal beispielsweise als Luftreferenz, als Referenzluftkanal oder als Abluftkanal mit der Bezeichnung ALK ausgestaltet sein, analog zu den oben beschriebenen Sensorelementen gemäß dem Stand der Technik. The second electrode, which can also be referred to as the exhaust air electrode ALE, is arranged in at least one reference gas space, ie a space which is separated from the measurement gas space such that different gas mixtures can form in the reference gas space and in the measurement gas space, between which a compensation at least a time scale, which is long compared to conventional measuring processes. It is particularly preferred if the reference gas space is completely separated from the sample gas space. In particular, the reference gas space may be a reference gas channel. For example, this reference gas channel can be designed as an air reference channel, which connects the second electrode, for example, to an environment of an engine compartment, which is formed separately from the measurement gas space, for example an exhaust gas tract of an internal combustion engine, in particular in a motor vehicle. Accordingly, the reference gas channel can be designed, for example, as an air reference, as a reference air channel or as an exhaust air channel with the designation ALK, analogously to the above-described sensor elements according to the prior art.

Die Ansteuerung ist hier derart eingerichtet, dass die zweite Elektrode mit einer virtuellen Masse verbunden ist. Unter einer virtuellen Masse ist eine Spannungsquelle zu verstehen, vorzugsweise eine Konstantspannungsquelle, welche ein Potenzial der zweiten Elektrode festlegt, beispielsweise auf einen bestimmten Wert relativ zu einer Masse. Insbesondere kann die virtuelle Masse eingerichtet sein, um die zweite Elektrode auf ein Elektrodenpotenzial zwischen 0 und ±3 V zu legen, insbesondere auf ein Elektrodenpotenzial in einem Bereich von 0,2 bis 2,5 V. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch möglich. Besonders bevorzugt ist es, wenn die virtuelle Masse als einstellbare virtuelle Masse ausgestaltet ist, beispielsweise dadurch, dass die Ansteuerung eine einstellbare Spannungsquelle umfasst, welche beispielsweise an einem Pol direkt oder indirekt mit einer Masse verbunden sein kann, und an einem anderen Pol direkt oder indirekt mit der zweiten Elektrode. Die Einstellbarkeit kann beispielsweise eine elektronische Einstellbarkeit umfassen. Beispielsweise kann der von der virtuellen Masse eingenommene Wert, insbesondere ein Elektrodenpotenzial, mit welchem die zweite Elektrode beaufschlagt wird, extern einstellbar sein, beispielsweise über mindestens eine Datenverarbeitungsvorrichtung und/oder über mindestens eine Schnittstelle innerhalb und/oder außerhalb der Ansteuerung. The drive is set up here such that the second electrode is connected to a virtual ground. A virtual ground is to be understood as meaning a voltage source, preferably a constant-voltage source, which defines a potential of the second electrode, for example to a specific value relative to a ground. In particular, the virtual ground may be arranged to set the second electrode to an electrode potential between 0 and ± 3 V, in particular to an electrode potential in a range of 0.2 to 2.5 V. However, other embodiments are possible. It is particularly preferred if the virtual ground is configured as an adjustable virtual ground, for example in that the drive comprises an adjustable voltage source, which can be connected, for example, directly or indirectly to one ground at one pole, and directly or indirectly at another pole with the second electrode. The adjustability may include, for example, electronic adjustability. For example, the value occupied by the virtual ground, in particular an electrode potential with which the second electrode is acted upon, can be externally adjustable, for example via at least one data processing device and / or via at least one interface within and / or outside the drive.

Die zu bestimmende Eigenschaft, welche mittels der Vorrichtung bestimmt werden soll, wobei auch mehrere Eigenschaften bestimmbar sein können, kann insbesondere, wie oben ausgeführt, ein Sauerstoffanteil in dem Gas, insbesondere einem Abgas, sein. Die Ansteuerung ist daher weiterhin eingerichtet, um die erste Pumpzelle mit einer Pumpspannung zu beaufschlagen und einen Pumpstrom an der ersten Elektrode zu erfassen. Unter einer Erfassung eines Pumpstroms an der ersten Elektrode ist dabei eine direkte oder indirekte Messung des Pumpstroms in einer Zuleitung zu der ersten Elektrode zu verstehen. Eine Pumpspannungsquelle kann insbesondere als unipolare Pumpspannungsquelle ausgestaltet sein, also als Pumpspannungsquelle, welche nicht umpolbar ist. Ein Potenzial der virtuellen Masse, mit welchem die erste Elektrode beaufschlagt wird, kann insbesondere innerhalb des vorgegebenen Luftzahlbereichs derart gewählt werden, dass das Potenzial der ersten Elektrode innerhalb des vorgegebenen Luftzahlbereichs keinen Vorzeichenwechsel erfährt. Dies kann beispielsweise, wie in der DE 10 2010 031 299 A1 beschrieben, durch ein entsprechendes Nachführen der virtuellen Masse und/oder durch eine Veränderung der virtuellen Masse als Funktion der Luftzahl erfolgen. Die Ansteuerung kann grundsätzlich mit einem Strom gleichen oder auch wechselnden Vorzeichens erfolgen. The property to be determined, which is to be determined by means of the device, whereby also several properties can be determined, can, in particular, as stated above, be an oxygen content in the gas, in particular an exhaust gas. The drive is therefore further configured to apply a pumping voltage to the first pumping cell and to detect a pumping current at the first electrode. A detection of a pumping current at the first electrode is to be understood as meaning a direct or indirect measurement of the pumping current in a supply line to the first electrode. A pump voltage source can in particular be designed as a unipolar pump voltage source, that is to say as a pump voltage source which is not repulpable. A potential of the virtual mass, with which the first electrode is acted upon, can be selected in such a way, in particular within the predefined air-fuel range, that the potential of the first electrode does not undergo a sign change within the predefined air-fuel range. This can, for example, as in the DE 10 2010 031 299 A1 described, carried out by a corresponding tracking of the virtual mass and / or by a change in the virtual mass as a function of the air ratio. The control can basically be done with a current equal or changing sign.

Erfindungsgemäß verfügt das vorliegende Sensorelement weiterhin über eine zweite Pumpzelle, welche auch als Nernstzelle bezeichnet werden kann. Die zweite Pumpzelle weist hierbei mindestens eine dritte Elektrode und mindestens eine vierte Elektrode auf. Die dritte Elektrode und die vierte Elektrode sind hierbei ebenso wie die beiden ersten Elektroden beispielsweise als Metall-Keramik-Elektroden ausgestaltet und ebenfalls in den Festelektrolyten eingebracht, welcher auch die erste Elektrode und die zweite Elektrode miteinander verbindet. Die dritte Elektrode, welche auch als zweite Abluftelektrode ALE2 bezeichnet werden kann, ist hierbei ebenso wie die zweite Elektrode in dem Referenzgasraum angeordnet. According to the invention, the present sensor element also has a second one Pump cell, which can also be referred to as Nernst cell. In this case, the second pump cell has at least one third electrode and at least one fourth electrode. The third electrode and the fourth electrode are in this case designed, like the two first electrodes, for example as metal-ceramic electrodes, and likewise introduced into the solid electrolyte, which also connects the first electrode and the second electrode to one another. The third electrode, which can also be referred to as the second exhaust air electrode ALE2, is arranged here in the same way as the second electrode in the reference gas space.

Weiterhin verfügt der Referenzkanal über eine Drossel, welche dazu eingerichtet ist, um in dem Referenzgaskanal eine Engstelle auszubilden. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Drossel als poröse Schicht ausgestaltet ist, durch welche das Referenzgas strömen und hierbei einen Strömungswiderstand erfahren kann. Andere Ausgestaltungen sind jedoch möglich. Erfindungsgemäß wird somit die in den Referenzgasraum eingebrachte Drossel über die zweite Pumpzelle zu dem in dem Messgasraum befindlichen Abgas angeschlossen. Auf diese Weise ist es möglich, das Innere des Sensorelements weitgehend, vorzugsweise hermetisch, gegen Wasser oder Fettgas aus dem Messgasraum abzuschließen. Als Folge dieser Anordnung kann der Druck des Gases in dem Referenzgasraum, wobei es sich insbesondere um den Sauerstoffpartialdruck handeln kann, nur noch über einen Druckbereich, beispielsweise in einem Bereich von 10–31 MPa bis 0,02 MPa, variieren, in welchem kein Überdruck auftreten kann. Dies wird dadurch ermöglicht, dass die als die zweite Pumpzelle vorgesehene Nernstzelle dazu eingerichtet ist, auch bei Fettgas im Messgasraum nur einen geringen Partialdruck der zu bestimmenden Gaskomponente, insbesondere einen geringen Sauerstoffpartialdruck aufzubauen. Furthermore, the reference channel has a throttle, which is adapted to form a bottleneck in the reference gas channel. This can be achieved, for example, in that the throttle is designed as a porous layer through which the reference gas can flow and thereby experience a flow resistance. Other embodiments are possible. According to the invention thus introduced into the reference gas space throttle is connected via the second pumping cell to the exhaust gas located in the measuring gas space. In this way, it is possible to largely, preferably hermetically, seal off the interior of the sensor element from water or fat gas from the measuring gas space. As a result of this arrangement, the pressure of the gas in the reference gas space, which may be in particular the oxygen partial pressure, only over a pressure range, for example in a range of 10 -31 MPa to 0.02 MPa, vary, in which no overpressure can occur. This is made possible by the fact that the Nernst cell provided as the second pumping cell is set up to build up only a small partial pressure of the gas component to be determined, in particular a low oxygen partial pressure, even in the case of fatty gas in the measuring gas space.

Erfindungsgemäß ist die dritte Elektrode weiterhin über eine elektronenleitende Verbindung an die vierte Elektrode angeschlossen. Hierbei kann die elektrodenleitende Verbindung insbesondere eine Kurzschlussverbindung zwischen der dritten Elektrode und der vierten Elektrode bereitstellen. Vorzugsweise weist hierzu die elektronenleitende Verbindung einen elektrischen Widerstand in einem Bereich von 1 Ω, vorzugsweise von 10 Ω, bis einschließlich 1000 Ω, vorzugsweise bis einschließlich 100 Ω, auf. Die elektronenleitende Verbindung kann hierzu vorzugsweise über eine schmale Zuleitung realisiert werden, insbesondere um über den elektrischen Widerstand der elektronenleitenden Verbindung einen Abbau des Drucks im Referenzgasraum zu beschränken. Um gleichzeitig eine Veränderung des elektrischen Widerstands der elektronenleitenden Verbindung über eine Temperatur, welche in dem Sensorelement herrscht, so gering wie möglich zu halten, kann die elektronenleitende Verbindung insbesondere aus einem Metall, vorzugsweise aus Platin, oder einer platinhaltigen Legierung, vorzugsweise aus Platin und Palladium, gebildet werden. Da auf diese Weise die als die zweite Pumpzelle vorliegende Nernstzelle als niederohmiges elektrisches Element ausgelegt werden kann, ermöglicht es die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Sensorelements, dass dadurch ein maximaler Sauerstoff-Diffusionsstrom durch die Drossel förderbar ist. Hierzu können die zweite Pumpzelle und die Drossel in Bezug auf eine Richtung des Sauerstoffstroms von der zweiten Pumpzelle zu dem Messgasraum vorzugsweise in Reihe angeordnet sein. Auf diese Weise kann vermieden werden, dass ein in dem Messgasraum auftretendes fettes Abgas den Referenzgasraum entleeren kann, weil gemäß der vorliegenden Ausgestaltung die zweite Pumpzelle weder Wasser noch Fettgas in den Referenzgasraum eintreten lässt und gleichzeitig die vorhandene Drossel für den Druckaufbau sorgen kann. According to the invention, the third electrode is furthermore connected to the fourth electrode via an electron-conducting connection. In this case, the electrode-conducting connection can in particular provide a short-circuit connection between the third electrode and the fourth electrode. For this purpose, the electron-conducting compound preferably has an electrical resistance in the range from 1 Ω, preferably from 10 Ω, up to and including 1000 Ω, preferably up to and including 100 Ω. For this purpose, the electron-conducting connection can preferably be realized via a narrow feed line, in particular in order to limit the degradation of the pressure in the reference gas space via the electrical resistance of the electron-conducting connection. In order to simultaneously minimize the electrical resistance of the electron-conducting connection via a temperature which prevails in the sensor element, the electron-conducting compound can be made in particular of a metal, preferably of platinum, or of a platinum-containing alloy, preferably of platinum and palladium to be formed. Since in this way the Nernst cell present as the second pumping cell can be designed as a low-resistance electrical element, the configuration of the sensor element according to the invention makes it possible to convey a maximum oxygen diffusion current through the throttle. For this purpose, the second pumping cell and the throttle may preferably be arranged in series with respect to a direction of the oxygen flow from the second pumping cell to the measuring gas chamber. In this way it can be avoided that a rich exhaust gas occurring in the sample gas space can empty the reference gas space, because according to the present embodiment, the second pump cell does not allow water or grease gas to enter the reference gas space and at the same time the existing throttle can provide the pressure build-up.

Das Sensorelement kann weiterhin vorzugsweise über mindestens ein Heizelement verfügen, welches mindestens zwei Heizkontakte aufweisen kann. Bezüglich möglicher Ausgestaltungen des Heizelements kann hierbei auf den Stand der Technik verwiesen werden. Insbesondere kann das Heizelement als resistives Heizelement ausgestaltet sein, welches über einen Heizwiderstand verfügt, welcher über zwei Heizkontakte, die üblicherweise mit H+ und H– bezeichnet werden, mit einem Heizstrom beaufschlagbar ist. Das Heizelement kann hierbei insbesondere dazu eingerichtet sein, um eine Erhöhung der Temperatur zumindest in einem heizbaren Bereich des Festelektrolyten zu bewirken. Hierbei können etwa in einer Lambdasonde Temperaturen über einen Bereich von ca. 500 °C bis 900 °C auftreten. The sensor element may furthermore preferably have at least one heating element, which may have at least two heating contacts. With regard to possible embodiments of the heating element, reference may be made to the prior art. In particular, the heating element can be designed as a resistive heating element which has a heating resistor which can be acted upon by a heating current via two heating contacts, which are usually designated H + and H - . In this case, the heating element can in particular be designed to bring about an increase in the temperature, at least in a heatable region of the solid electrolyte. In this case, temperatures in a lambda probe can occur over a range of approximately 500 ° C. to 900 ° C.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann hierzu die zweite Pumpzelle in dem heizbaren Bereich angeordnet sein, um auch bei Ausgestaltung der zugehörigen Elektroden mit einer geringen Elektrodenoberfläche den Sauerstofftransport bei den in dem heizbaren Bereich auftretenden hohen Temperaturen zu gewährleisten. In an advantageous embodiment, for this purpose, the second pumping cell can be arranged in the heatable area in order to ensure the transport of oxygen at the high temperatures occurring in the heatable area, even when the associated electrodes with a small electrode surface are designed.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann auch die Drossel in dem beheizbaren Bereich angeordnet sein, vorzugsweise in unmittelbarer Nähe der dritten Elektrode, besonders bevorzugt angrenzend an die dritte Elektrode, insbesondere um auf dioese Weise einen Strömungswiderstand der Drossel durch das Auftreten einer höheren Temperatur so gering wie möglich zu halten. Gleichzeitig kann durch die Anordnung der Drossel in unmittelbarer Nähe der dritten Elektrode oder angrenzend an die dritte Elektrode ein möglichst großes Speichervolumen in dem Referenzgasraum geschaffen werden, wobei das Speichervolumen derart ausgestaltet sein kann, dass es an die zweite Elektrode angrenzt und durch die Drossel von dem Messgasraum getrennt ist. Andere Ausgestaltungen des Speichervolumens sind jedoch möglich. In a further advantageous embodiment, the throttle may also be arranged in the heatable region, preferably in the immediate vicinity of the third electrode, particularly preferably adjacent to the third electrode, in particular to a flow resistance of the throttle as low as possible due to the occurrence of a higher temperature possible to keep. At the same time can be created by the arrangement of the throttle in the immediate vicinity of the third electrode or adjacent to the third electrode as large a storage volume in the reference gas space, wherein the storage volume can be configured such it is adjacent to the second electrode and is separated from the sample gas space by the throttle. However, other configurations of the storage volume are possible.

In einer weiterhin bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann, wie oben beschrieben, das Sensorelement in Form von ebenen Schichten, welche jeweils den Festelektrolyten umfassen, ausgeführt sein. In dieser vorteilhaften Ausgestaltung können hierbei insbesondere die dritte Elektrode und der Referenzgasraum in derselben Ebene in dem Sensorelement angeordnet sein; andere Arten der Anordnung der genannten Elemente in dem Sensorelement sind jedoch möglich. In a further preferred embodiment of the present invention, as described above, the sensor element in the form of planar layers, each comprising the solid electrolyte, be executed. In this advantageous embodiment, in this case, in particular, the third electrode and the reference gas space can be arranged in the same plane in the sensor element; however, other types of arrangement of said elements in the sensor element are possible.

Besonders bevorzugt ist hierbei eine Anordnung, in welcher die dritte Elektrode und die vierte Elektrode und vorzugsweise auch die elektronenleitende Verbindung in derselben Ebene in dem Sensorelement angeordnet sind. Dies ermöglicht insbesondere bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Sensorelements ein einfaches Aufbringen der dritten Elektrode, der vierten Elektrode und gegebenenfalls der elektronenleitenden Verbindung mittels eines einzigen Druckschritts. Darüber hinaus kann in dieser Ausgestaltung die vierte Elektrode, welche als die äußere Pumpelektrode APE ausgeführt sein kann, mittels einer Aussparung mit dem Messgasraum verbunden sein, wobei die Aussparung vorzugsweise zumindest teilweise mit einer porösen Schutzschicht gefüllt sein kann. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass die als die vierte Elektrode eingesetzte äußere Pumpelektrode APE mit dem Messgasraum verbunden werden kann, ohne dass hierfür eine aufwändige Durchkontaktierung durch die äußerste Schicht des Sensorelements erforderlich ist. Particularly preferred in this case is an arrangement in which the third electrode and the fourth electrode and preferably also the electron-conducting connection are arranged in the same plane in the sensor element. This allows, in particular in the production of the sensor element according to the invention, a simple application of the third electrode, the fourth electrode and optionally the electron-conducting connection by means of a single pressure step. In addition, in this embodiment, the fourth electrode, which may be designed as the outer pumping electrode APE, be connected by means of a recess with the measuring gas space, wherein the recess may be preferably at least partially filled with a porous protective layer. In this way it can be achieved that the outer pumping electrode APE used as the fourth electrode can be connected to the measuring gas space without the need for elaborate through-plating through the outermost layer of the sensor element.

In diesem Zusammenhang kann, beispielsweise für den Einsatz in einer NOx-Sonde, die durch die dritte Elektrode, die vierte Elektrode und gegebenenfalls die elektronenleitende Verbindung entstandene Elektrodenfläche auch als eine Reduzierschicht zur Reduktion des Stickoxids in der genannten Sonde eingesetzt werden. In this context, for example, for use in a NO x probe, the electrode surface formed by the third electrode, the fourth electrode and optionally the electron-conducting compound can also be used as a reducing layer for reducing the nitrogen oxide in said probe.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die zweite Elektrode, die dritte Elektrode und die vierte Elektrode an ein abgeschlossenes Volumen angrenzen und in Bezug hierzu jeweils als Ringelektrode ausgeführt sein. Dies kann insbesondere in Analogie zur Breitband-Lambdasonde erfolgen, welche gemäß dem Stand der Technik bereits über Ringelektroden verfügen kann. Eine mögliche Ausführung für diese Ausgestaltung wird im weiteren Verlauf der Beschreibung dargestellt. In a further advantageous refinement, the second electrode, the third electrode and the fourth electrode can adjoin a closed volume and, in relation thereto, can each be designed as a ring electrode. This can be done in particular in analogy to the broadband lambda probe, which according to the prior art can already have ring electrodes. One possible embodiment of this embodiment will be described later in the description.

Neben der oben beschriebenen Vorrichtung in einer oder mehreren der beschriebenen Ausgestaltungen wird weiterhin ein Verfahren zur Bestimmung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum vorgeschlagen. Das Verfahren kann hierbei insbesondere unter Verwendung einer Vorrichtung gemäß einer oder mehreren der oben beschriebenen Ausgestaltungen durchgeführt werden, so dass bezüglich möglicher Ausgestaltungen des Verfahrens auf die Beschreibung der Vorrichtung verwiesen werden kann. In addition to the device described above in one or more of the described embodiments, a method for determining at least one property of a gas in a measurement gas space is also proposed. The method can in this case be carried out in particular using a device according to one or more of the embodiments described above, so that reference can be made to the description of the device with regard to possible embodiments of the method.

Das Verfahren verwendet hierbei ein Sensorelement mit einer ersten Pumpzelle mit mindestens einer ersten Elektrode, mindestens einer zweiten Elektrode und mindestens einem die erste Elektrode und die zweite Elektrode verbindenden Festelektrolyten. Hierbei ist die erste Elektrode mit Gas aus dem Messgasraum beaufschlagbar und die zweite Elektrode ist in mindestens einem Referenzgasraum angeordnet, wobei der Referenzgasraum durch mindestens eine Drossel von dem Messgasraum abgetrennt ist. Die zweite Elektrode wird hierbei vorzugsweise mit einer virtuellen Masse verbunden. Die erste Pumpzelle wird mit einer Pumpspannung beaufschlagt, und ein Pumpstrom an der ersten Elektrode wird erfasst. Weiterhin verfügt das für das Verfahren verwendete Sensorelement über eine in den Festelektrolyten eingebrachte zweite Pumpzelle mit mindestens einer dritten Elektrode und einer vierten Elektrode, wobei die dritte Elektrode in dem Referenzgasraum angeordnet ist und über eine elektronenleitende Verbindung an die vierte Elektrode angeschlossen ist. Für weitere Einzelheiten in Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren wird zudem auf die Beschreibung der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwiesen. In this case, the method uses a sensor element having a first pump cell with at least one first electrode, at least one second electrode and at least one solid electrolyte connecting the first electrode and the second electrode. In this case, the first electrode can be acted upon with gas from the measurement gas space and the second electrode is arranged in at least one reference gas space, the reference gas space being separated from the measurement gas space by at least one throttle. In this case, the second electrode is preferably connected to a virtual ground. The first pumping cell is supplied with a pumping voltage, and a pumping current at the first electrode is detected. Furthermore, the sensor element used for the method has a introduced into the solid electrolyte second pump cell having at least a third electrode and a fourth electrode, wherein the third electrode is disposed in the reference gas space and is connected via an electron-conducting connection to the fourth electrode. For further details in relation to the method according to the invention, reference is also made to the description of the device according to the invention.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren weisen wesentliche Vorteile gegenüber den bekannten Verfahren und Vorrichtungen zur Bestimmung einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum auf. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Sensorelements kann insbesondere das Innere des Sensorelements hermetisch gegen Wasser oder Fettgas abgeschlossen werden. Auf diese Weise kann ein Druckaufbau in dem Abluftkanal vermieden werden; ein Bersten des Sensorelements kann somit praktisch ausgeschlossen werden. Weiterhin kann damit vermieden werden, dass fettes Abgas den Abluftkanal entleeren kann, wodurch ein kontinuierlicher Betrieb des erfindungsgemäßen Sensorelements auch in fettem Abgas möglich wird. The device according to the invention and the method according to the invention have significant advantages over the known methods and devices for determining a property of a gas in a measuring gas space. The inventive design of the sensor element, in particular the interior of the sensor element can be hermetically sealed against water or grease gas. In this way, a pressure build-up in the exhaust duct can be avoided; Bursting of the sensor element can thus be virtually ruled out. Furthermore, it can be avoided that rich exhaust gas can empty the exhaust duct, whereby a continuous operation of the sensor element according to the invention is also possible in rich exhaust.

Kurze Beschreibung der Figuren Brief description of the figures

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Embodiments of the invention are illustrated in the figures and are explained in more detail in the following description.

Es zeigen im einzelnen: They show in detail:

1 ein Ausführungsbeispiel einer bekannten Vorrichtung zur Bestimmung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum (Stand der Technik); 1 an embodiment of a known device for determining at least one property of a gas in a sample gas space (prior art);

2 ein erstes Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum; 2 a first embodiment of an inventive device for determining at least one property of a gas in a sample gas space;

3 ein zweites Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Vorrichtung; 3 a second embodiment of the device according to the invention;

4 ein drittes Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Vorrichtung; 4 a third embodiment of the device according to the invention;

5 ein viertes Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Vorrichtung; und 5 A fourth embodiment of the device according to the invention; and

6 ein fünftes Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Vorrichtung. 6 a fifth embodiment of the device according to the invention.

Ausführungsbeispiele embodiments

In 1 ist eine Vorrichtung 110 zur Bestimmung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum 112 dargestellt, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist. Der Messgasraum 112 kann beispielsweise einen Abgastrakt einer Brennkraftmaschine sein. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst die Vorrichtung 110 ein Sensorelement 114 sowie eine mit dem Sensorelement 114 über eine Schnittstelle 116 verbundene Ansteuerung 118. Die Ansteuerung 118 kann ein oder mehrere elektronische Bauelemente umfassen und auch ganz oder teilweise als anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreis (ASIC) ausgestaltet sein. Das Sensorelement 114 kann beispielsweise als Lambdasonde ausgestaltet sein und umfasst in dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine erste Elektrode 120, welche auch als Innenpumpelektrode oder IPE bezeichnet wird, eine zweite Elektrode 122, welche auch als Abluftelektrode oder ALE bezeichnet wird, sowie einen die Elektroden 120, 122 verbindenden Festelektrolyten 124, beispielsweise Yttrium-stabilisiertes Zirkoniumdioxid. Die Elektroden 120, 122 sind in dem dargestellten Ausführungsbeispiel im Inneren eines Schichtaufbaus angeordnet. In 1 is a device 110 for determining at least one property of a gas in a sample gas space 112 represented as known from the prior art. The sample gas chamber 112 For example, it may be an exhaust tract of an internal combustion engine. In the illustrated embodiment, the device comprises 110 a sensor element 114 and one with the sensor element 114 via an interface 116 connected control 118 , The control 118 may comprise one or more electronic components and may also be designed, in whole or in part, as an application-specific integrated circuit (ASIC). The sensor element 114 For example, it can be designed as a lambda probe and, in the exemplary embodiment shown, comprises a first electrode 120 , which is also referred to as internal pumping electrode or IPE, a second electrode 122 , which is also referred to as exhaust air electrode or ALE, and one the electrodes 120 . 122 connecting solid electrolyte 124 For example, yttrium-stabilized zirconia. The electrodes 120 . 122 are arranged in the illustrated embodiment in the interior of a layer structure.

Die erste Elektrode 120 ist dabei in einem Elektrodenhohlraum 126 angeordnet, welcher über ein Gaszutrittsloch 128 mit Gas aus dem Messgasraum beaufschlagbar ist. Zwischen dem Elektrodenhohlraum 126 und dem Gaszutrittsloch 128 ist eine Diffusionsbarriere 130 angeordnet, wobei die Diffusionsbarriere 130 ein poröses Element umfasst, welches ein Nachströmen von Gas aus dem Messgasraum 112 in den Elektrodenhohlraum 116 oder in umgekehrter Richtung zumindest weitgehend verhindern kann und lediglich einen Diffusionstransport ermöglicht. The first electrode 120 is in an electrode cavity 126 arranged, which via a gas inlet hole 128 can be acted upon with gas from the sample gas space. Between the electrode cavity 126 and the gas access hole 128 is a diffusion barrier 130 arranged, the diffusion barrier 130 comprises a porous element, which is a subsequent flow of gas from the sample gas space 112 into the electrode cavity 116 or at least largely prevent in the reverse direction and only allows a diffusion transport.

Die zweite Elektrode 122 ist hingegen in einem Referenzgasraum 132 in Form eines Referenzgaskanals 134 oder Abluftkanals ALK angeordnet. Dieser ist in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel mit einem porösen, gasdurchlässigen Medium ausgefüllt. The second electrode 122 is in a reference gas space 132 in the form of a reference gas channel 134 or exhaust ducts ALK arranged. This is filled in the embodiment shown here with a porous, gas-permeable medium.

Die Elektroden 120, 122 sowie der diese Elektroden verbindende Festelektrolyt 124 bilden gemeinsam eine erste Pumpzelle 136. Die Elektroden 120, 122 sind durch entsprechende Anschlusskontakte elektrisch kontaktierbar. The electrodes 120 . 122 and the solid electrolyte connecting these electrodes 124 together form a first pump cell 136 , The electrodes 120 . 122 are electrically contacted by corresponding terminal contacts.

Weiterhin ist in dem Referenzgasraum 132 eine Drossel 138 eingebracht, welche vorzugsweise dadurch eine Engstelle in dem Referenzgasraum 132 ausbilden kann, indem die Drossel 138 bevorzugt in Form einer porösen Schicht vorliegen kann. Furthermore, in the reference gas space 132 a throttle 138 introduced, which preferably characterized by a bottleneck in the reference gas space 132 can train by the throttle 138 may preferably be in the form of a porous layer.

Weiterhin umfasst das Sensorelement 114 in dem dargestellten Ausführungsbeispiel ein Heizelement 140 mit einer Heizerisolation 142, welche einen Heizwiderstand 144 mit zwei Heizerkontakten H+ und H– umgibt. Die Ansteuerung 118 ist üblicherweise derart ausgestaltet, dass Heizerkontakte H+ und H– durch eine Heizeransteuerung 146 beaufschlagt werden, welche üblicherweise über eine geregelte Heizersteuerung verfügt, beispielsweise auf einen konstanten Innenwiderstand der Pumpzelle 136. Furthermore, the sensor element comprises 114 in the illustrated embodiment, a heating element 140 with a heater insulation 142 which has a heating resistor 144 with two heater contacts H + and H - surrounds. The control 118 is usually designed such that heater contacts H + and H - by a heater control 146 be acted upon, which usually has a controlled heater control, for example, to a constant internal resistance of the pumping cell 136 ,

Die zweite Elektrode 122, welche sich im Abgas befindet, ist an eine virtuelle Masse 148 der Ansteuerung 118 angeschlossen. Diese virtuelle Masse 148 legt die zweite Elektrode 122 auf ein konstantes Elektrodenpotenzial relativ zu einer elektrischen Masse 150. Die erste Elektrode 120 hingegen liegt auf einem variablen Potenzial. Über eine in der 1 lediglich angedeutete Pumpspannungsquelle 152 wird mittels einer Strommessvorrichtung 154, beispielsweise mittels eines Messwiderstands, ein Pumpstrom Ip durch die Pumpzelle 136 gemessen. The second electrode 122 , which is located in the exhaust, is to a virtual mass 148 the control 118 connected. This virtual mass 148 put the second electrode 122 to a constant electrode potential relative to an electrical ground 150 , The first electrode 120 however, there is a variable potential. About one in the 1 merely indicated pump voltage source 152 is by means of a current measuring device 154 , For example by means of a measuring resistor, a pumping current I p through the pumping cell 136 measured.

In den 2 bis 6 sind jeweils erfindungsgemäße Vorrichtungen 110 dargestellt. Diese umfassen wiederum mindestens ein Sensorelement 114 und mindestens eine Ansteuerung 118. Die Ansteuerung 118 sowie der bisher beschriebene Teil des Sensorelements 114 sind hierbei im wesentlichen analog zu der Ansteuerung 118 bzw. zu dem Sensorelement 114 gemäß 1 ausgestaltet, so dass hierfür jeweils auf die Beschreibung zu der 1 verwiesen werden kann. In the 2 to 6 are each devices according to the invention 110 shown. These in turn comprise at least one sensor element 114 and at least one driver 118 , The control 118 as well as the previously described part of the sensor element 114 are essentially analogous to the control 118 or to the sensor element 114 according to 1 designed for each of them to the description of the 1 can be referenced.

In 2 ist eine erste erfindungsgemäße Ausführung der Vorrichtung 110 zur Bestimmung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in dem Messgasraum 112 dargestellt. Das Sensorelement 114 verfügt hierbei neben der ersten Pumpzelle 136 mit der ersten Elektrode 120 und der zweiten Elektrode 122 in dem die beiden Elektroden 120, 122 verbindenden Festelektrolyten 124 über eine ebenfalls in den Festelektrolyten 124 eingebrachte zweite Pumpzelle 156. Die zweite Pumpzelle 156 weist hierbei zwei weitere über eine elektronenleitende Verbindung 158 miteinander verbundene Elektroden auf, und zwar eine dritte Elektrode 160, welche auch als zweite Abluftelektrode ALE2 bezeichnet werden kann, und eine vierte Elektrode 162, wofür in diesem Ausführungsbeispiel die äußere Pumpelektrode APE eingesetzt wird. Hierbei ist die dritte Elektrode 162 ebenfalls in dem Referenzgasraum 132 angeordnet und kann sich für den Fall, dass das Sensorelement 114 über einen Schichtaufbau verfügt, in der gleichen Ebene wie der Referenzgasraum 132 angeordnet sein. Durch das Vorhandensein der Drossel 138 in dem Referenzgasraum 132 wird in diesem Ausführungsbeispiel der Referenzgasraum 132 in zwei separate Bereiche 164, 166 aufgeteilt, wobei die beiden Teile 164, 166 des Referenzgasraums 132 in Bezug auf die Schichten des Sensorelements 114 vorzugsweise in der selben Ebene angeordnet sind. Andere Ausführungen sind jedoch denkbar, beispielsweise dass die beiden Teile 164, 166 des Referenzgasraums 132 in verschiedenen, übereinander angeordneten Ebenen eingebracht sind. In 2 is a first embodiment of the device according to the invention 110 for determining at least one property of a gas in the Measuring gas chamber 112 shown. The sensor element 114 has this in addition to the first pump cell 136 with the first electrode 120 and the second electrode 122 in which the two electrodes 120 . 122 connecting solid electrolyte 124 via a likewise in the solid electrolyte 124 introduced second pumping cell 156 , The second pump cell 156 here has two more via an electron-conducting compound 158 interconnected electrodes, namely a third electrode 160 , which may also be referred to as a second exhaust air electrode ALE2, and a fourth electrode 162 for which the outer pumping electrode APE is used in this embodiment. Here is the third electrode 162 also in the reference gas space 132 arranged and may be in the event that the sensor element 114 has a layer structure in the same plane as the reference gas space 132 be arranged. By the presence of the throttle 138 in the reference gas space 132 is the reference gas space in this embodiment 132 in two separate areas 164 . 166 split, with the two parts 164 . 166 of the reference gas space 132 with respect to the layers of the sensor element 114 are preferably arranged in the same plane. Other versions are conceivable, for example, that the two parts 164 . 166 of the reference gas space 132 are introduced in different, superposed levels.

Die zweite Pumpzelle 156 wird vorzugsweise in einem beheizbaren Bereich 168 des Sensorelements 114 angeordnet, um diese bei einer Temperatur in einem Bereich von 500 °C bis 900 °C betreiben zu können. Auf diese Weise genügt es, wenn die dritten Elektrode 160 und/oder die vierte Elektrode 162 nur über eine geringe Elektrodenfläche verfügen, um auch dann einen ausreichenden Sauerstofftransport in der zweiten Pumpzelle 156 zu gewährleisten. The second pump cell 156 is preferably in a heated area 168 of the sensor element 114 arranged to operate at a temperature in a range of 500 ° C to 900 ° C. In this way, it is sufficient if the third electrode 160 and / or the fourth electrode 162 have only a small electrode area, even then sufficient oxygen transport in the second pumping cell 156 to ensure.

In 3 ist eine zweite Ausführung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt, in welcher – im Unterschied zu der Ausführung gemäß 2 – auch die Drossel 138 in den beheizbaren Bereich 168 des Sensorelements 114 eingebracht ist. Auf diese Weise wird es zum einen möglich, einen Strömungswiderstand der Drossel 138 über die Heizersteuerung 146 konstant zu halten und zum anderen ein größeres Speichervolumen 170 für den ersten Teil 164 des Referenzgasraums 132 bereitzustellen. In 3 a second embodiment of a device according to the invention is shown, in which - in contrast to the embodiment according to 2 - also the throttle 138 in the heated area 168 of the sensor element 114 is introduced. In this way, it becomes possible for a flow resistance of the throttle 138 via the heater control 146 keep constant and on the other a larger storage volume 170 for the first part 164 of the reference gas space 132 provide.

In 4 ist eine dritte Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 110 dargestellt. In der dritten Ausführung ist die elektronenleitende Verbindung 158 in Form einer Kurzschlussverbindung 172 als eine schmale Zuleitung ausgestaltet, um über den Widerstand der elektronenleitenden Verbindung 158 einen Abbau eines Drucks im Referenzgasraum 132 zu beschränken. Die Kurzschlussverbindung 172 umfasst hierbei einen niederohmigen Widerstand, vorzugsweise von 1 Ω, bevorzugt von 10 Ω, bis einschließlich 1000 Ω, bevorzugt bis 100 Ω, welcher insbesondere ein Metall, vorzugsweise Platin, oder eine Legierung aus Platin, vorzugsweise aus Platin und Palladium, aufweist, insbesondere um damit eine möglichst geringe Änderung des Widerstands über der Temperatur zu gewährleisten. In der in 4 dargestellten Ausführung ist die Kurzschlussverbindung 172 jeweils mit einer hochohmigen Zuleitung 174 mit der dritten und vierten Elektrode 160, 162 verbunden. Die Drossel 138 kann in dieser Ausführung analog zu der Ausführung in 3 ausgestaltet sein; es sind jedoch weitere Ausgestaltungen, etwa die Ausführung gemäß 2, ebenfalls möglich. In 4 is a third embodiment of the device according to the invention 110 shown. In the third embodiment, the electron-conducting compound 158 in the form of a short-circuit connection 172 designed as a narrow feed line to talk about the resistance of the electron-conducting connection 158 a reduction of pressure in the reference gas space 132 to restrict. The short-circuit connection 172 in this case comprises a low-resistance, preferably from 1 Ω, preferably from 10 Ω, up to and including 1000 Ω, preferably up to 100 Ω, which in particular a metal, preferably platinum, or an alloy of platinum, preferably of platinum and palladium, in particular thus to ensure the lowest possible change in the resistance over the temperature. In the in 4 illustrated embodiment is the short-circuit connection 172 each with a high-impedance supply line 174 with the third and fourth electrodes 160 . 162 connected. The throttle 138 can in this embodiment analogous to the execution in 3 be designed; However, there are other embodiments, such as the execution according to 2 , also possible.

5 zeigt eine vierte Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 110, welche sich insbesondere durch eine weniger aufwändige Herstellung auszeichnet, indem die elektronenleitende Verbindung 158, die dritte Elektrode 160 und die vierte Elektrode 162 auf der gleichen Ebene 176 des in Form eines Schichtaufbaus vorliegenden Sensorelements 114 ausgestaltet sind. Das Aufbringen der dritten und vierten Elektrode 160, 162 und der elektronenleitenden Verbindung 158 kann hierbei in einem einzigen Druckschritt erfolgen, was mit einem weniger aufwändigen Herstellungsverfahren verbunden ist, da dadurch das Erfordernis einer aufwändigen Durchkontaktierung durch die äußere Ebene 178 des Sensorelements 114 entfällt. Damit jedoch die vierte Elektrode 162, für welche in diesem Ausführungsbeispiel die äußere Pumpelektrode eingesetzt wird, einen Kontakt zum Messgasraum 112 aufweisen kann, wird hierzu eine Aussparung 180 in das Sensorelement 114 eingebracht, durch welche die vierte Elektrode 162 mit dem Messgasraum 112 verbunden ist. Hierbei kann die Aussparung 180 mit einer porösen Schutzschicht 182 zumindest teilweise ausgefüllt sein. 5 shows a fourth embodiment of the device according to the invention 110 which is characterized in particular by a less expensive preparation by the electron-conducting compound 158 , the third electrode 160 and the fourth electrode 162 at the same level 176 of the present in the form of a layer structure sensor element 114 are designed. The application of the third and fourth electrodes 160 . 162 and the electron-conducting compound 158 This can be done in a single printing step, which is associated with a less expensive manufacturing process, since thereby the requirement of a complex through-hole through the outer level 178 of the sensor element 114 eliminated. However, this is the fourth electrode 162 for which the outer pumping electrode is used in this embodiment, a contact to the sample gas space 112 may have, this is a recess 180 in the sensor element 114 introduced, through which the fourth electrode 162 with the sample gas chamber 112 connected is. Here, the recess 180 with a porous protective layer 182 be at least partially filled.

In 6 ist schließlich eine fünfte Ausführung für die erfindungsgemäße Vorrichtung 110 dargestellt. In Analogie zur Breitband-Lambdasonde sind hierbei die Elektroden 120, 122, 160, 162 jeweils als Ringelektroden ausgestaltet. Die erste Elektrode 120, d.h. die innere Pumpelektrode IPE, wird hierzu in einer ersten Ebene als Sauerstoff-Einbau-Elektrode eingebracht. Die zweite Elektrode 122, d.h. die Abluftelektrode ALE, wird hierzu als paralleler Ring oberhalb der ersten Elektrode 120 in einem abgeschlossenen Volumen angeordnet. In dem abgeschlossenen Volumen befindet sich die ebenfalls in Form einer Ringelektrode vorliegende dritte Elektrode 160, d.h. die zweite Abluftlektrode ALE2, welche auf der selben Höhe 176 über eine elektronenleitende Verbindung 158 zu der ebenfalls als Ringelektrode ausgeführten vierten Elektrode 162, d.h. der äußeren Pumpelektrode, verfügt. Die als Ringelektrode ausgeführte vierte Elektrode ist hierbei über die Aussparung 180 des Gaszutrittslochs 128 mit dem Messgasraum 112 verbunden. Die (hier nicht eingezeichnete) Drossel kann sich in dieser Ausführung zwischen der zweiten Elektrode 122 und der dritten Elektrode 160 befinden. Vorzugsweise ist hierbei die Drossel direkt auf die dritte Elektrode 160 aufgebracht, um die dritte Elektrode 160 auf diese Weise von dem Referenzgasraum 132 abzutrennen. In 6 is finally a fifth embodiment of the device according to the invention 110 shown. In analogy to the broadband lambda probe here are the electrodes 120 . 122 . 160 . 162 each designed as ring electrodes. The first electrode 120 , ie the inner pumping electrode IPE, is introduced for this purpose in a first plane as oxygen-incorporation electrode. The second electrode 122 , That is, the exhaust air electrode ALE, this is as a parallel ring above the first electrode 120 arranged in a closed volume. In the closed volume is also present in the form of a ring electrode third electrode 160 ie the second exhaust air electrode ALE2, which is at the same height 176 via an electron-conducting compound 158 to the fourth electrode, also designed as a ring electrode 162 , ie the outer pumping electrode, has. The fourth electrode designed as a ring electrode is in this case via the recess 180 of the gas access hole 128 with the Measuring gas chamber 112 connected. The throttle (not shown here) can in this embodiment between the second electrode 122 and the third electrode 160 are located. Preferably, in this case, the throttle is directly on the third electrode 160 applied to the third electrode 160 in this way from the reference gas space 132 separate.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102006062054 A1 [0005] DE 102006062054 A1 [0005]
  • DE 102006062055 A1 [0005] DE 102006062055 A1 [0005]
  • DE 19960954 B4 [0006] DE 19960954 B4 [0006]
  • DE 102010040813 A1 [0008] DE 102010040813 A1 [0008]
  • DE 102010031299 A1 [0009, 0017] DE 102010031299 A1 [0009, 0017]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • Konrad Reif, Hrsg., Sensoren im Kraftfahrzeug, 2. Auflage, Springer Vieweg, 2012, Seite 160 bis 165 [0001] Konrad Reif, ed., Sensors in motor vehicles, 2nd edition, Springer Vieweg, 2012, pages 160 to 165 [0001]

Claims (12)

Vorrichtung (110) zur Bestimmung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum (112), insbesondere zur Erfassung eines Anteils mindestens einer Gaskomponente, wobei die Vorrichtung (110) mindestens ein Sensorelement (114) und mindestens eine Ansteuerung (118) aufweist, wobei das Sensorelement (114) eine erste Pumpzelle (136) mit mindestens einer ersten Elektrode (120) und mindestens einer zweiten Elektrode (122) sowie mindestens einem die erste Elektrode (120) und die zweite Elektrode (122) verbindenden Festelektrolyten (124) umfasst, wobei die erste Elektrode (120) mit Gas aus dem Messgasraum (112) beaufschlagbar ist, wobei die zweite Elektrode (122) in mindestens einem Referenzgasraum (132) angeordnet ist, wobei der Referenzgasraum (132) durch mindestens eine Drossel (138) von dem Messgasraum (112) abgetrennt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (114) weiterhin über eine in den Festelektrolyten (124) eingebrachte zweite Pumpzelle (156) mit mindestens einer dritten Elektrode (160) und mindestens einer vierten Elektrode (162) verfügt, wobei die dritte Elektrode (160) in dem Referenzgasraum (132) angeordnet ist und über eine elektronenleitende Verbindung (158) an die vierte Elektrode (162) angeschlossen ist. Contraption ( 110 ) for determining at least one property of a gas in a sample gas space ( 112 ), in particular for detecting a proportion of at least one gas component, wherein the device ( 110 ) at least one sensor element ( 114 ) and at least one control ( 118 ), wherein the sensor element ( 114 ) a first pump cell ( 136 ) with at least one first electrode ( 120 ) and at least one second electrode ( 122 ) and at least one the first electrode ( 120 ) and the second electrode ( 122 ) connecting solid electrolyte ( 124 ), wherein the first electrode ( 120 ) with gas from the sample gas space ( 112 ) is acted upon, wherein the second electrode ( 122 ) in at least one reference gas space ( 132 ), wherein the reference gas space ( 132 ) by at least one throttle ( 138 ) from the sample gas space ( 112 ), characterized in that the sensor element ( 114 ) via a in the solid electrolyte ( 124 ) introduced second pumping cell ( 156 ) with at least one third electrode ( 160 ) and at least one fourth electrode ( 162 ), wherein the third electrode ( 160 ) in the reference gas space ( 132 ) and via an electron-conducting compound ( 158 ) to the fourth electrode ( 162 ) connected. Vorrichtung (110) nach dem vorangehenden Anspruch, wobei die elektronenleitende Verbindung (158) einen elektrischen Widerstand in einem Bereich von 1 Ohm, vorzugsweise von 10 Ohm, bis einschließlich 1000 Ohm, vorzugsweise bis einschließlich 100 Ohm, aufweist. Contraption ( 110 ) according to the preceding claim, wherein the electron-conducting compound ( 158 ) has an electrical resistance in a range of 1 ohm, preferably 10 ohms, up to and including 1000 ohms, preferably up to and including 100 ohms. Vorrichtung (110) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Drossel (138) in Form einer Engstelle in dem Referenzgasraum (132) ausgeführt ist, wobei die Drossel (138) vorzugsweise als poröse Schicht vorliegt. Contraption ( 110 ) according to one of the preceding claims, wherein the throttle ( 138 ) in the form of a bottleneck in the reference gas space ( 132 ), wherein the throttle ( 138 ) is preferably present as a porous layer. Vorrichtung (110) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei ein Sauerstoffstrom durch die zweite Pumpzelle (156) förderbar ist, wobei die zweite Pumpzelle (156) und die Drossel (138) in Bezug auf eine Richtung des Sauerstoffstroms von der zweiten Pumpzelle (156) zu dem Messgasraum (112) in Reihe angeordnet sind. Contraption ( 110 ) according to one of the preceding claims, wherein an oxygen flow through the second pumping cell ( 156 ), wherein the second pump cell ( 156 ) and the throttle ( 138 ) with respect to a direction of the oxygen flow from the second pumping cell ( 156 ) to the sample gas space ( 112 ) are arranged in series. Vorrichtung (110) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (110) weiterhin über mindestens ein Heizelement (140) verfügt, wobei das Heizelement (140) eingerichtet ist zur Erhöhung einer Temperatur zumindest in einem beheizbaren Bereich (168) des Festelektrolyten (142), wobei die zweite Pumpzelle (156) in dem beheizbaren Bereich (168) angeordnet ist. Contraption ( 110 ) according to one of the preceding claims, wherein the device ( 110 ) via at least one heating element ( 140 ), wherein the heating element ( 140 ) is arranged to increase a temperature at least in a heatable area ( 168 ) of the solid electrolyte ( 142 ), the second pump cell ( 156 ) in the heated area ( 168 ) is arranged. Vorrichtung (110) nach dem vorangehenden Anspruch, wobei weiterhin die Drossel (138) in dem beheizbaren Bereich (168) angeordnet ist, wobei die Drossel (138) vorzugsweise an der dritten Elektrode (160) anliegt. Contraption ( 110 ) according to the preceding claim, wherein furthermore the throttle ( 138 ) in the heated area ( 168 ), wherein the throttle ( 138 ) preferably at the third electrode ( 160 ) is present. Vorrichtung (110) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Referenzgasraum (132) über ein Speichervolumen (170) verfügt, wobei das Speichervolumen (170) an die zweite Elektrode (122) angrenzt und durch die Drossel (138) von dem Messgasraum (112) getrennt ist. Contraption ( 110 ) according to one of the preceding claims, wherein the reference gas space ( 132 ) via a storage volume ( 170 ), the storage volume ( 170 ) to the second electrode ( 122 ) and through the throttle ( 138 ) from the sample gas space ( 112 ) is disconnected. Vorrichtung (110) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Sensorelement (114) in Form von ebenen Schichten aus dem Festelektrolyten (124) ausgeführt ist, wobei die dritte Elektrode und der Referenzgasraum (132) in einer Ebene (176) angeordnet sind. Contraption ( 110 ) according to one of the preceding claims, wherein the sensor element ( 114 ) in the form of planar layers of the solid electrolyte ( 124 ), wherein the third electrode and the reference gas space ( 132 ) in one level ( 176 ) are arranged. Vorrichtung (110) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die dritte Elektrode (160) und die vierte Elektrode (162) und vorzugsweise auch die elektronenleitende Verbindung (158) in einer Ebene (176) angeordnet sind, wobei die vierte Elektrode (162) über eine Aussparung (180) mit dem Messgasraum (112) verbunden ist, wobei in der Aussparung (180) vorzugsweise zumindest teilweise eine poröse Schutzschicht (182) eingebracht ist. Contraption ( 110 ) according to one of the preceding claims, wherein the third electrode ( 160 ) and the fourth electrode ( 162 ) and preferably also the electron-conducting compound ( 158 ) in one level ( 176 ), wherein the fourth electrode ( 162 ) via a recess ( 180 ) with the sample gas space ( 112 ), wherein in the recess ( 180 ) preferably at least partially a porous protective layer ( 182 ) is introduced. Vorrichtung (110) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die zweite Elektrode (122), die dritte Elektrode (160) und die vierte Elektrode (162) an ein abgeschlossenes Volumen angrenzen und jeweils als Ringelektrode ausgeführt sind. Contraption ( 110 ) according to one of the preceding claims, wherein the second electrode ( 122 ), the third electrode ( 160 ) and the fourth electrode ( 162 ) adjoin a closed volume and are each designed as a ring electrode. Vorrichtung (110) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Ansteuerung (118) derart eingerichtet ist, dass die zweite Elektrode (122) mit einer virtuellen Masse (148) verbunden ist, wobei die Ansteuerung (118) weiterhin eingerichtet ist zur Beaufschlagung der Pumpzelle (136) mit einer Pumpspannung und zur Erfassung eines Pumpstroms an der zweiten Elektrode (122). Contraption ( 110 ) according to one of the preceding claims, wherein the drive ( 118 ) is arranged such that the second electrode ( 122 ) with a virtual mass ( 148 ), the control ( 118 ) is further adapted to act on the pump cell ( 136 ) with a pumping voltage and for detecting a pumping current at the second electrode ( 122 ). Verfahren zur Bestimmung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum (112) unter Verwendung einer Vorrichtung (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche. Method for determining at least one property of a gas in a measuring gas space ( 112 ) using a device ( 110 ) according to any one of the preceding claims.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2018072949A1 (en) * 2016-10-20 2018-04-26 Robert Bosch Gmbh Control unit for operating a lambda sensor

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19960954B4 (en) 1999-12-17 2004-02-12 Robert Bosch Gmbh Sensor made of a ceramic layer system
DE102006062054A1 (en) 2006-12-29 2008-07-03 Robert Bosch Gmbh Sensor unit for measuring gas component i.e. oxygen concentration, has electrode shielded from gas chamber of internal-combustion engine, and gas supply channel supplying additional amount of gas component to another electrode
DE102006062055A1 (en) 2006-12-29 2008-07-03 Robert Bosch Gmbh Gas mixture's i.e. exhaust gas, air ratio measuring method, involves measuring pumping current flowing between two electrodes, where air ratio of gas mixture is enclosed from pumping current
DE102010031299A1 (en) 2010-07-13 2012-01-19 Robert Bosch Gmbh Device for determining a property of a gas in a measuring gas space
DE102010040813A1 (en) 2010-09-15 2012-03-15 Robert Bosch Gmbh Sensor element for detecting a property of a gas in a sample gas space

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19960954B4 (en) 1999-12-17 2004-02-12 Robert Bosch Gmbh Sensor made of a ceramic layer system
DE102006062054A1 (en) 2006-12-29 2008-07-03 Robert Bosch Gmbh Sensor unit for measuring gas component i.e. oxygen concentration, has electrode shielded from gas chamber of internal-combustion engine, and gas supply channel supplying additional amount of gas component to another electrode
DE102006062055A1 (en) 2006-12-29 2008-07-03 Robert Bosch Gmbh Gas mixture's i.e. exhaust gas, air ratio measuring method, involves measuring pumping current flowing between two electrodes, where air ratio of gas mixture is enclosed from pumping current
DE102010031299A1 (en) 2010-07-13 2012-01-19 Robert Bosch Gmbh Device for determining a property of a gas in a measuring gas space
DE102010040813A1 (en) 2010-09-15 2012-03-15 Robert Bosch Gmbh Sensor element for detecting a property of a gas in a sample gas space

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Konrad Reif, Hrsg., Sensoren im Kraftfahrzeug, 2. Auflage, Springer Vieweg, 2012, Seite 160 bis 165

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2018072949A1 (en) * 2016-10-20 2018-04-26 Robert Bosch Gmbh Control unit for operating a lambda sensor
CN109863392A (en) * 2016-10-20 2019-06-07 罗伯特·博世有限公司 For running the control unit of lambda seeker
CN109863392B (en) * 2016-10-20 2022-01-04 罗伯特·博世有限公司 Control unit for operating a lambda probe

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