DE10226667A1

DE10226667A1 - Gaskonzentrationsmessvorrichtung

Info

Publication number: DE10226667A1
Application number: DE10226667A
Authority: DE
Inventors: Mitsunobu Niwa; Eiichi Kurokawa; Satoshi Hada
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2001-06-15
Filing date: 2002-06-14
Publication date: 2003-02-06
Also published as: US20020189942A1; JP2002372514A

Abstract

Eine Gaskonzentrationsmessvorrichtung, die einen Gaskonzentrationssensor beinhaltet, kann den Elementwiderstand ohne eine Beeinflussung der Gaskonzentrationsmessung messen. Die abtastenden Zellen weisen einen Aufbau mit einem Festkörperelektrolytelement und so bereitgestellten Elektroden auf, dass sie einander mit dem Festkörperelektrolytelement dazwischen zugewandt sind, und werden durch Erwärmung der abtastenden Zellen in Reaktion auf eine Elementimpedanz des Festkörperelektrolytelements aktiv gehalten. Die abtastenden Zellen beinhalten typischerweise eine Pumpzelle, eine Sensorzelle und eine Überwachungszelle. Ein Heizelement ist in einem beliebigen Festkörperelektrolytelement eingebettet. Eine Sensorzellenspannung wird an die Sensorzelle angelegt, während ein durch die Sensorzelle fließender Strom erfasst wird. Die Konzentration des spezifischen Gasbestandteils in dem Objektgas wird anhand des erfassten Stroms festgestellt. Bei der Elementimpedanzmessung wechselt der elektronische Schaltungsabschnitt sofort eine an eine zur Elementimpedanzmessung verwendeten Zelle angelegte Spannung, während die Elementimpedanz aus Variationen bei Spannung und Strom erfasst wird. In Reaktion auf die Elementimpedanz wird dem Heizelement elektrische Energie zugeführt, sodass die Zellen aktiv gehalten werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Gaskonzentrationsmessvorrichtung, deren Sensorzellen einen Aufbau mit einer Festkörperelektrolytplatte und derart bereitgestellten Elektroden aufweisen, dass diese mit der Festkörperelektrolytplatte zwischen sich einander zugewandt sind, und die Sensorzellen werden durch Erwärmen der Sensorzellen in Reaktion auf die Elementimpedanz der Festkörperelektrolytplatte aktiv gehalten.
Als diese Art von Gaskonzentrationsmessvorrichtungen sind solche zum Messen der Konzentration von beispielsweise Stickoxid (NO_x) in Fahrzeugabgasen unter Verwendung von Gaskonzentrationssensoren in Grenzstrombauart bekannt. Diese Art von Gaskonzentrationsmessvorrichtungen weist beispielsweise einen Dreizellenaufbau mit einer Pumpzelle zum Pumpen von Sauerstoff aus dem in eine Kammer eingeführten Abgas, einer Überwachungszelle zum Messen der Menge von überschüssigem (oder verbleibendem) Sauerstoff in dem Restabgas, das die Pumpzelle passiert hat, und einer Sensorzelle zum Messen der NO_x- Konzentration in dem Restabgas auf.
Im Allgemeinen wird die Gaskonzentrationsmessvorrichtung mit einem Heizelement bereitgestellt, damit die vorstehend beschriebenen Zellen auf einer vorbestimmten Aktivierungstemperatur gehalten werden. Zu diesem Zweck wird der Heizelementstrom so gesteuert, dass der elektrische Widerstand des Festkörperelektrolytelements (oder -platte) zur Entsprechung mit der Aktivierungstemperatur gebracht wird, indem der Elementwiderstand (oder der elektrische Widerstand des Festkörperelektrolytelements) gemessen wird. Im Einzelnen wird der das Heizelement betreibende Strom in Reaktion auf die Differenz zwischen der Messung und einem Zielwert des Elementwiderstands rückkopplungsgesteuert.
Als Technik zum Messen des Elementwiderstands wurde das Kippverfahren verwendet, durch das die Wechselstromimpedanz gemessen wird. Bekannte Gaskonzentrationsmessvorrichtungen messen den die Sensorzelle betreffenden Elementwiderstand unter Verwendung des Kippverfahrens (wie beispielsweise in der Druckschrift JP-A-2000-171439) offenbart. Im Einzelnen wird die Spannung der Sensorzelle sofort auf zumindest entweder die positive oder die negative Seite während der Messung des Elementwiderstands gewechselt, und der Elementwiderstand wird aus der Variation bei Spannung und Strom zu diesem Zeitpunkt ermittelt. Somit ermöglicht die Messung des Elementwiderstandes bezüglich der Sensorzelle die Unterdrückung der Sensorzellentemperaturvariation und die Verbesserung der Genauigkeit bei der NO_x-Konzentrationsmessung.
Falls jedoch der Elementwiderstand der Sensorzelle unter Verwendung des Kippverfahrens gemessen wird, wird die NO_x- Konzentrationsmessung während der Zeitperiode der Elementwiderstandsmessung unmöglich, weil die Sensorzellenspannung während der Zeitperiode sofort gewechselt wird. Dies bedeutet, dass die Zeitperiode der Elementwiderstandsmessung eine unmessbare Periode für die NO_x- Konzentration darstellt. Ferner ist es notwendig, die NO_x- Konzentrationsmessung nach der Elementwiderstandsmessung hinauszuzögern, bis die Sensorzellenspannung vollständig ihren ursprünglichen Wert angenähert hat.
Somit wird eine Messung benötigt, die mit der unmessbaren Periode für die NO_x-Konzentration fertig wird.
Die Erfindung erfolgte in Anbetracht des vorstehend beschriebenen Problems. Demzufolge liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Gaskonzentrationsmessvorrichtung anzugeben, welche zur Messung des Elementwiderstands befähigt ist, ohne die Gaskonzentrationsmessung zu beeinflussen.
Erfindungsgemäß beinhaltet eine Gaskonzentrationsmessvorrichtung einen Gaskonzentrationssensor, der wiederum versehen ist mit einer Pumpzelle zum Pumpen von Sauerstoff aus einem oder in ein in eine Kammer eingeführtes Objektgas; einer Sensorzelle zum Erfassen einer Konzentration einer spezifischen Gaskomponente in einem durchgeströmten Objektgas, das die Pumpzelle passiert hat; einer Überwachungszelle zum Erfassen einer Restsauerstoffkonzentration; und einem Heizelement zum Erwärmen der Zellen. Dabei weist jede Zelle einen Aufbau mit einem Festkörperelektrolytelement und so bereitgestellten Elektroden auf, dass diese mit dem Festkörperelektrolytelement dazwischen einander zugewandt sind. Die Zellen werden aktiv gehalten, indem die Zellen mit dem Heizelement in Reaktion auf eine Elementimpedanz eines Impedanzerfassten der Festkörperelektrolytelemente erwärmt werden. Die Gaskonzentrationsmessvorrichtung umfasst dabei ferner einen elektronischen Schaltungsabschnitt. Durch den Betrieb des elektronischen Schaltungsabschnitts wird eine Sensorzellenspannung an die Sensorzelle angelegt, während ein durch die Sensorzelle fließender Strom erfasst wird. Die Konzentration des spezifischen Gasbestandteils in dem Objektgas wird aus dem erfassten Strom festgestellt. Bei der Elementimpedanzmessung wechselt der elektronische Schaltungsabschnitt sofort eine Spannung oder einen Strom, welche bzw. welcher einer zur Elementimpedanzmessung verwendeten Zelle (oder einer von den von der Sensorzelle verschiedenen Zellen, die bei dem impedanzerfassten Festkörperelektrolytelement bereitgestellt ist) zugeführt wird, während die Elementimpedanz aus Veränderungen bei der Spannung und einem erfassten Strom oder aus Veränderungen bei dem Strom und einer erfassten Spannung erfasst wird. In Reaktion auf die Elementimpedanz wird dem Heizelement elektrische Energie zugeführt, so dass die Zellen aktiv gehalten werden.
Die Sensorzelle und eine Elementimpedanzmesszelle sind vorzugsweise in einem Bereich angeordnet, wo im wesentlichen kein Temperaturgradient vorliegt.
Die elektrische Energie wird so zugeführt, dass die Elementimpedanz gleich einem gewünschten Zielwert ist.
Bei einem Ausführungsbeispiel wird die Elementimpedanz unter Verwendung der Pumpzelle gemessen, die bei der Einen der Festkörperelektrolytelemente oder dem impedanzgemessenen Festkörperelektrolytelement bereitgestellt ist.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Elementimpedanz unter Verwendung der Überwachungszelle gemessen, die bei dem impedanzgemessenen Festkörperelektrolytelement bereitgestellt ist. Dabei wird eine in einem Überwachungszellenstrompfad bereitgestellte Abtastwiderstandsschaltung bereitgestellt, die zudem in Reaktion auf eine Steuerung von Außen für das Einnehmen von einem von zwei für eine Restsauerstoffkonzentrationsmessung und die Elementimpedanzmessung angepassten Werten befähigt ist. In Reaktion auf einen Befehl zum Alternieren zwischen der Elementimpedanzmessung und der Restsauerstoffkonzentrationsmessung wird die Abtastwiderstandseinrichtung mit der Steuerung versehen, um die Abtastwiderstandseinrichtungen zum Einnehmen von einem der zwei zum Alternieren geeigneten Werte zu veranlassen.
Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind sowohl die Überwachungszelle als auch die Sensorzelle vorzugsweise bei einem Einzigen der Festkörperelektrolytelemente bereitgestellt. Zudem sind die Überwachungszelle und die Sensorzelle vorzugsweise in einem Bereich angeordnet, wo es im wesentlichen keinen Temperaturgradienten gibt.
Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann auf einer Seite des Einen der Festkörperelektrolytelemente eine Elektrode der Überwachungszelle und eine Elektrode der Sensorzelle als einzelne gemeinsame Elektrode implementiert sein. Außerdem ist es bevorzugt, eine Spannung oder einen Strom, die bzw. der einer von der gemeinsamen Elektrode verschiedenen Elektrode der Überwachungszelle zugeführt wird, sofort zu wechseln.
Bei einem Ausführungsbeispiel sind das Eine der Festkörperelektrolytelemente und ein Festkörperelektrolytelement der Pumpzelle mit einer Lücke dazwischen parallel zueinander zugewandt. Eine Elektrode der Pumpzelle, die auf der Außenseite des Pumpzellenfestkörperelektrolytelementes bereitgestellt ist, ist einem ersten Luftpfad ausgesetzt. Die gemeinsame Elektrode der Überwachungszelle und die Sensorzelle ist einem zweiten Luftpfad ausgesetzt. Ferner sind die anderen Elektroden der Pumpzelle, der Überwachungszelle und der Sensorzelle alle der Lücke ausgesetzt.
Der Gaskonzentrationssensor kann zudem entweder eine zweite Pumpzelle oder eine zweite Überwachungszelle beinhalten. Erneut wird die Elementimpedanz vorzugsweise unter Verwendung der der Sensorzelle nächsten Zelle gemessen.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden aus der nachstehenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher ersichtlich. Es zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Anordnung von einer Gaskonzentrationsmessvorrichtung gemäß einem darstellenden Ausführungsbeispiel der Erfindung;
die Fig. 2A und 2B Seiten- und Endschnittansichten des Aufbaus eines in Fig. 1 gezeigten Gaskonzentrationssensors 100;
die Fig. 3A und 3B horizontale Schnittansichten der - Elektrodenanordnungen von der Überwachungszelle und der Sensorzelle;
Fig. 4 ein Flussdiagramm einer durch eine Steuereinrichtung 200 gemäß Fig. 1 ausgeführten Hauptroutine;
Fig. 5 ein Flussdiagramm einer Routine zur Messung der Impedanz des Überwachungssensors 120;
Fig. 6 ein Flussdiagramm einer Routine zur Messung der Impedanz des Pumpsensors 110 gemäß einer ersten Abwandlung des darstellenden Ausführungsbeispiels der Erfindung; und
die Fig. 7 bis 11 Querschnittansichten von beispielhaften Abwandlungen des Gaskonzentrationssensors 100 gemäß Fig. 2.
In der gesamten Zeichnung werden die in mehr als einer Figur gezeigten selben Elemente durch dieselben Bezugszeichen bezeichnet.
Eine erfindungsgemäße Gaskonzentrationsmessvorrichtung ist beispielsweise für Automobilbenzinmotoren geeignet. Die Gaskonzentrationsmessvorrichtung, welche Gaskonzentrationssensoren in Grenzstrombauart verwendet, misst die Sauerstoffkonzentration in dem zu messenden Gas oder im Abgas und misst gleichzeitig die NO_x-Konzentration als die Konzentration eines speziellen Zielgases.

Ausführungsbeispiel

Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild einer beispielhaften Anordnung einer Gaskonzentrationsmessvorrichtung gemäß einem darstellenden Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Gaskonzentrationsmessvorrichtung gemäß Fig. 1 ist eine so genannte Kombinationsgaskonzentrationsmessvorrichtung, die zur gleichzeitigen Messung von Sauerstoff- und NO_x-Konzentrationen mit einem Dreifachzellenaufbau mit einer Pumpzelle, einer Überwachungszelle und einer Sensorzelle in der Lage ist. Fig. 2A zeigt eine Seitenschnittansicht des Aufbaus eines Gaskonzentrationssensors 100 (in Fig. 1 gezeigt), und Fig. 2B zeigt eine Endschnittansicht entlang der Linie A-A aus Fig. 2A. Bezug nehmend auf Fig. 2 wird nachstehend zunächst der Gaskonzentrationssensor 100 beschrieben.
Bei Fig. 2A umfasst der Gaskonzentrationssensor 100 Festkörperelektrolyte (nachstehend mit "Festkörperelektrolytelementen" bezeichnet) 141 und 142, welche Platten aus Sauerstoffionen leitendem(n) Material(ien) sind; ein zwischen den Festkörperelektrolytelementen 141 und 142 bereitgestelltes Abstandselement 143, das aus einem isolierenden Material wie etwa Aluminiumoxid ausgebildet ist; eine auf der Außenseite des Festkörperelektrolytelements 141 angebrachte poröse Diffusionsschicht 147; und eine so ausgebildete und angeordnete isolierende Schicht 149, dass eine Luftpassage 150 zwischen deren innerer Wand und der Außenseite des Festkörperelektrolytelements 142 bereitgestellt ist. Das Festkörperelektrolytelement 141 weist ein darin ausgebildetes kleines Loch 141a auf. Abgas um den Gaskonzentrationssensor 100 wird in eine erste Kammer 144 durch das kleine Loch 141a eingeführt. Die erste Kammer 144 kommuniziert mit einer zweiten Kammer 146 durch einen Drosselabschnitt 145.
Das im unteren Teil gezeigte Festkörperelektrolytelement 142 umfasst eine durch die Bereitstellung eines Elektrodenpaares 111 und 112 auf beiden Seiten des Festkörperelektrolytelements 142 ausgebildete Pumpzelle 110 derart, dass der horizontale Bereich der Pumpzelle 110 bzw. der Elektrode 111 in der ersten Kammer 144 enthalten ist. Die Elektrode 111 ist bezüglich NO_x- inert (d. h. löst kaum NO_x-Gas). Die Pumpzelle 110 pumpt Sauerstoff aus oder in das in die erste Kammer 144 eingeführte Abgas, während die Sauerstoffkonzentration in dem Abgas gemessen wird. Die Pumpzelle 110 löst dabei Sauerstoff innerhalb der ersten Kammer 144 und pumpt es von der Elektrode 112 zu der Luftpassage 150 heraus.
Falls die erste Kammer 144 reich an einem Zielgasbestandteil ist, kann das Pumpen von Sauerstoff aus oder in die erste Kammer 144 mit der Pumpzelle 110 eine Annäherung der ersten Kammer 144 in den fetten Zustand veranlassen, was zu einer Stabilisierung der Sauerstoffkonzentration in dem Abgas führt. Somit stellt der Gaskonzentrationssensor 100 selbst gegenüber einer plötzlichen Veränderung bei der Sauerstoffkonzentration in dem Abgas ein gutes Ansprechen bereit.
Außerdem ist das im oberen Teil gezeigte Festkörperelektrolytelement 141 derart mit einer Überwachungszelle 120 und einer Sensorzelle 130 versehen, dass eine Elektrode jeder Zelle 120 und 130 der zweiten Kammer 146 zugewandt ist. Die Überwachungszelle 120 erzeugt eine Stromausgabe in Reaktion auf die Konzentration von Überschuss- (oder Rest-) Sauerstoff innerhalb der zweiten Kammer 146 und der an die Überwachungszelle 120 angelegten Spannung. Die Sensorzelle 130 erfasst die NO_x-Konzentration in dem Abgas, welche die Pumpzelle 110 passierte.
Bei diesem speziellen Ausführungsbeispiel der Erfindung sind gemäß Fig. 2B die Überwachungszelle 120 und die Sensorzelle 130 so parallel angeordnet, dass sie bezüglich der Richtung des Abgasflusses in der zweiten Kammer 146 gleich positioniert sind, und sie weisen eine so auf der Außenseite des Festkörperelektrolytelements 141 angeordnete gemeinsame Elektrode 122 auf, dass sie einer Luftpassage 148 zugewandt ist. Im Einzelnen umfasst die Überwachungszelle 120 ein Festkörperelektrolytelement 141 und eine Elektrode 121 sowie die gemeinsame Elektrode 122, die so angeordnet sind, dass sie einander mit dem Festkörperelektrolytelement 141 dazwischen zugewandt sind, während die Sensorzelle 130 das Festkörperelektrolytelement 141 und eine Elektrode 131 und die gemeinsame Elektrode 122 umfasst, die so angeordnet sind, dass sie einander mit dem Festkörperelektrolytelement 141 dazwischen zugewandt sind. Außerdem ist die Elektrode 121 der Überwachungszelle 120, die in der zweiten Kammer 146 freigelegt ist, aus einem zu NO_x-Gas inerten Edelmetall ausgebildet: beispielsweise Gold-Platin, während die Elektrode 131 der Sensorzelle 130, die in der zweiten Kammer 146 freigelegt ist, aus einem gegenüber NO_x-Gas aktiven Edelmetall ausgebildet ist: beispielsweise Platin.
Fig. 3A zeigt einen so dargestellten horizontalen Schnitt, dass die Elektroden 121 und 131 der Überwachungszelle 120 und der Sensorzelle 130 von der Seite der zweiten Kammer 146 aus gesehen werden. Fig. 3B zeigt einen horizontalen Schnitt, sodass die gemeinsame Elektrode 122 der Zellen 120 und 130 von der Seite der Luftpassage 148 aus gesehen werden. Es wird angemerkt, dass anstelle einer Anordnung parallel entlang dem Fluss des Abgases gemäß Fig. 3A die Überwachungszelle 120 und die Sensorzelle 130 oberhalb und unterhalb des Flusses des Abgases angeordnet sein können (d. h. innerhalb der zweiten Kammer 146 in Fig. 3B auf der rechten und linken Seite). Beispielsweise sind die Überwachungszelle 120 und die Sensorzelle 130 stromaufwärts (oder auf der linken Seite) bzw. stromabwärts (oder auf der rechten Seite) angeordnet.
Bezugnehmend auf Fig. 2A umfasst die vorstehend angeführte isolierende Schicht 149 ein darin eingebettetes Heizelement 151. Mit von außen zugeführter elektrischer Energie erzeugt das Heizelement 151 Wärmeenergie zum Erwärmen des gesamten Gaskonzentrationssensors 100 mit der Pumpzelle 110, der Überwachungszelle 120 und der Sensorzelle 130.
Bei dem derart konfigurierten Gaskonzentrationssensor 100 wird Abgas durch die poröse Diffusionsschicht 147 und das kleine Loch 141a in die erste Kammer 144 eingeführt. Wenn das eingeführte Abgas die Nachbarschaft der Pumpzelle 110 passiert, verursacht das Anlegen einer zweckmäßigen Spannung zwischen den Elektroden 111 und 112 der Pumpzelle 110 die Auflösungsreaktion für das Lösen von lediglich Sauerstoff, während die Pumpzelle 110 den gelösten Sauerstoff aus der ersten Kammer 144 in die Luftpassage 150 pumpt. Der Grund hierfür ist, dass die Elektrode der Pumpzelle 110 auf der Seite der Kammer 144 bzw. die Elektrode 111 inert gegenüber NO_x ist, was dazu führt, dass lediglich Sauerstoff in dem eingeführten Abgas gelöst wird, ohne dass NO_x in dem eingeführten Abgas gelöst wird. Die Sauerstoffkonzentration in dem Abgas wird von dem durch die Pumpzelle 110 fließenden Strom gemessen.
Das die Nachbarschaft der Pumpzelle 110 passierende Abgas fließt in die zweite Kammer 146, wodurch die Überwachungszelle 120, welche eine vorbestimmte Überwachungszellenspannung zwischen ihren Elektroden 121 und 122 angelegt hat, zur Erzeugung eines Überwachungszellenstroms in Reaktion auf die Konzentration an Überschusssauerstoff in dem Abgas veranlasst wird. Gleichzeitig kontaktierte ein Teil des Abgases innerhalb der zweiten Kammer 146 die Elektrode 131 der Sensorzelle 130, welche eine vorbestimmte Sensorzellenspannung zwischen ihren Elektroden 131 und 122 angelegt hat, wodurch eine Reduktion oder Lösung von NO_x-Gas in dem kontaktierten Abgas veranlasst wird. Aus dieser Reduktion resultierendes Sauerstoff wird in die Luftpassage 148 ausgegeben, was zu einem durch die Sensorzelle 130 fließenden Sensorzellenstrom führt. Die NO_x- Konzentrationen im Abgas wird von dem Sensorzellenstrom festgestellt.
Unter Bezugnahme auf Fig. 1 wird nachstehend eine beispielhafte elektrische Anordnung der erfindungsgemäßen Gaskonzentrationsmessvorrichtung näher beschrieben. Obwohl Fig. 1 eine Gaskonzentrationsmessvorrichtung zeigt, die den vorstehend beschriebenen Gaskonzentrationssensor 100 verwendet, sind die Überwachungszelle 120 und die Sensorzelle 130 zur Vereinfachung als oberhalb und unterhalb des Abgasflusses angeordnet gezeigt.
Bei Fig. 1 weist die Steuereinrichtung 200 einen gut bekannten CPU-basierten (auf einer zentralen Recheneinheit basierend) Aufbau auf, der eine CPU, Analog-zu-Digital-Wandler ADC0-ADC5, Digital-zu-Analog-Wandler DAC0-DAC4 sowie Eingangs- und Ausgangsanschlüsse IOP1 und IOP2 umfasst. Die Steuereinrichtung 200 führt den Zellen 110-130 jeweilige zweckmäßige Spannungen von DAC0-DAC2 zu. Zur Messung der durch die Zellen 110-130 fließenden Ströme gibt die Steuereinrichtung 200 Knotenspannungen Vc, Ve, Vd, Vb, Vg und Vh von jeweiligen Wandlereinrichtungen ADC0-ADC5 ein. Die Steuereinrichtung 200 stellt die Sauerstoffkonzentration und die NO_x-Konzentration in dem Abgas anhand der gemessenen Ströme für die Zellen 110-130 fest, und gibt die Sauerstoff- und NO_x-Konzenträtionen von den Wandlereinrichtungen DAC4 und DAC3 aus.
Bei Fig. 1 wird ferner eine Bezugsspannung Va an eine Elektrode 112 der Pumpzelle 110 mittels einer Referenzenergieversorgungseinrichtung 201 und eines Operationsverstärkers 202 angelegt, und die Steuereinrichtung 200 legt eine Befehlsspannung Vb an die andere Elektrode 111 der Pumpzelle 110 durch den Operationsverstärker 203 und den Abtastwiderstand 204 (oder stromabtastenden Widerstand) an. Wenn in Abhängigkeit von der Sauerstoffkonzentration in dem Abgas in Reaktion auf das Anlegen der Befehlsspannung Vb ein Strom durch die Pumpzelle 110 fließt, wird der Strom durch den Abtastwiderstand 204 erfasst. Im Einzelnen greift die Steuereinrichtung 200 die Spannungen Vb und Vd an beiden Enden des Abtastwiderstands 204 ab, und berechnet den Strom Ip der Stromzelle 110 aus den Spannungen Vb und Vd.
Zudem wird eine Bezugsspannung Vf an die gemeinsame Elektrode 122 der Überwachungszelle 120 und der Sensorzelle 130 mittels der Bezugsenergieversorgungsquelle 205 und dem Operationsverstärker 206 angelegt, und die Steuereinrichtung 200 legt eine Befehlsspannung Vg an die von der gemeinsamen Elektrode 122 verschiedene Elektrode der Sensorzelle 130, d. h. die Elektrode 131, durch den Operationsverstärker 207 und den Abtastwiderstand 208 an. Wenn mit dem Anlegen der Befehlsspannung Vg ein Strom durch die Sensorzelle 130 in Abhängigkeit von der NO_x-Konzentration in dem Abgas fließt, wird der Strom durch den Abtastwiderstand 208 erfasst. Im Einzelnen greift die Steuereinrichtung 200 die Spannungen Vg und Vh an beiden Enden des Abtastwiderstands 208 ab, und berechnet den Strom Is der Sensorzelle 130 aus den Spannungen Vg und Vh.
Ferner legt die Steuereinrichtung 200 eine Befehlsspannung Vc an die von der gemeinsamen Elektrode 122 verschiedene Elektrode der Überwachungszelle 120, d. h. die Elektrode 121, durch ein LPF (Tiefpassfilter) 209, den Operationsverstärker 210 und den Abtastwiderstand 211 an. Wenn mit dem Anlegen der Befehlsspannung Vc ein Strom durch die Überwachungszelle 120 in Abhängigkeit von der NO_x-Konzentration im Abgas fließt, wird der Strom durch den Abtastwiderstand 211 erfasst. Im Einzelnen greift die Steuereinrichtung 200 die Spannung Vc und Ve an beiden Enden des Abtastwiderstands 211 ab, und berechnet den Strom Im der Überwachungszelle 120 aus den Spannungen Vc und Ve. Es wird angemerkt, dass das LPF 209 beispielsweise als aus einem Widerstand und einem Kondensator zusammengesetzten Primärfilter implementiert sein kann.
Das vorliegende Ausführungsbeispiel ist so angeordnet, dass es die Elementimpedanz betreffende der Überwachungszelle 120 unter Verwendung des Kippverfahrens erfasst. Falls die Impedanz der Überwachungszelle 120 zu erfassen ist, dann verändert im Einzelnen die Steuereinrichtung 200 sofort die Spannung der Überwachungszelle 120 oder die Befehlsspannung Vc auf zumindest die positive oder die negative Seite. Die Spannung der Überwachungszelle 120 wird durch das LPF 209 wie eine Sinuskurve geglättet und an die Überwachungszelle 120 angelegt. Die Frequenz der Wechselspannung beträgt vorzugsweise mehr als 10 kHz und die Zeitkonstante des LPF 209 ist vorzugsweise auf etwa 5 µs eingestellt. Die Elementimpedanz der Überwachungszelle 120 wird aus den Spannungs- und Stromvariationen in diesem Zustand berechnet.
Da eine Elektrode von sowohl der Überwachungszelle 120 als auch der Sensorzelle 130 als die gemeinsame Elektrode 122 verwirklicht ist, wird die Bezugsspannungsansteuerungsschaltung vorteilhaft vereinfacht, und die Zuleitungen des Gaskonzentrationssensors 100 werden in ihrer Anzahl vorzugsweise reduziert. Da zudem die Überwachungszelle 120 und die Sensorzelle 130 zueinander benachbart in demselben Festkörperelektrolytelement 141 ausgebildet sind, wenngleich die Befürchtung bestehen könnte, dass das Kippen einer Zellenspannung einen Strom in der anderen Elektrode verursacht, was zu einer Beeinträchtigung bei der Genauigkeit der Impedanzerfassung führt, bringt die Bereitstellung der gemeinsamen Elektrode 122 eine Elektrode 122 auf dasselbe Potenzial, was eine Reduktion der widrigen Beeinflussung ermöglicht.
Es wird angemerkt, dass, während ein Strom von lediglich einigen µA durch die Überwachungszelle 120 während der Rest- (oder der Überschuss-) Sauerstoffkonzentrationserfassung fließt, ein Strom in der Größenordnung von Milliampere durch die Überwachungszelle 120 während dem Spannungskippen zur Impedanzerfassung fließt. Messströme von verschiedenen Größenordnungen mit einem identischen Abtastwiderstand verursachen eine Bereichsüberschreitung oder eine Verschlechterung bei der Messgenauigkeit. Zu diesem Zweck ist die erfindungsgemäße Gaskonzentrationsmessvorrichtung so konfiguriert, dass der Abtastwiderstand zwischen zwei Werten für die Restsauerstoffkonzentrationserfassung und die Elementimpedanzerfassung verschoben wird.
Im Einzelnen wird dies erzielt, indem ein Zweig mit einem zusätzlichen Abtastwiderstand 212 und einem Umschaltstromkreis 213 wie etwa ein Halbleiterschalter parallel zu dem Abtastwiderstand 211 hinzugefügt wird, und indem der Umschaltstromkreis 213 mit einem Ausgangssignal aus dem I/O- Anschluss IOP1 der Steuereinrichtung 200 an- und ausgeschaltet wird. Dabei wird bei einer gewöhnlichen Gaskonzentrationsmessung, wobei der Umschaltstromkreis 313 aus oder offen bleibt, der Strom Im der Überwachungszelle 120 unter Verwendung eines Widerstands von etwa einigen hundert kΩ aufgrund des Abtastwiderstands 211 erfasst. Bei der Elementimpedanzerfassung, wobei der Umschaltstromkreis 213 angeschaltet oder geschlossen bleibt, wird der Strom Im der Überwachungszelle 120 unter Verwendung eines Widerstands von einigen hundert Ω aufgrund der parallel verbundenen Abtastwiderstände 211 und 212 erfasst.
Ferner gibt die Steuereinrichtung 200 ein Impulssignal mit einem gewünschten Tastverhältnis aus dem I/O-Anschluss IOP2 zur Ansteuerung der MOSFET-Ansteuerungseinrichtung 251 ("metaloxide semiconductor field-effect transistor") aus, was wiederum die PWM-Steuerung (Impulsbreitenmodulation) an die von der Energieversorgungsquelle 253 (beispielsweise einer Batterie) an das Heizelement 151 zugeführte elektrische Energie bereitstellt.
Unter Bezugnahme auf die Fig. 4 und 5 ist nachstehend die Betriebsweise der erfindungsgemäßen Gaskonzentrationsmessvorrichtung beschrieben. Fig. 4 zeigt ein Flussdiagramm der durch die Steuereinrichtung 200 gemäß Fig. 1 ausgeführten Hauptroutine. Die Steuereinrichtung 200 ruft die Hauptroutine in Reaktion auf einen Anschaltvorgang auf.
Gemäß Fig. 4 führt die Steuereinrichtung 200 bei Schritt 100 einen Testvorgang durch, um zu sehen, ob eine vorbestimmte Zeit Ta verstrichen ist, seit die letzten Messungen von A/F (Luftzu-Brennstoff-Verhältnis) (d. h. die Sauerstoffkonzentration) und der NO_x-Konzentration verstrichen ist. Ta ist ein einer Periode der Erfassung von A/F sowie der NO_x-Konzentration entsprechendes Zeitintervall und beispielsweise auf etwa 4 Millisekunden eingestellt. Falls bei Schritt 100 das Ergebnis JA ist, dann schreitet die Steuereinrichtung 200 zu Schritt 100 fort, wo die Steuereinrichtung 200 A/F (oder die Sauerstoffkonzentration) und die NO_x-Konzentration misst.
Bei der A/F-Messung wird der Strom Ip der Pumpzelle 110 erfasst, während die Spannung der Pumpzelle 110 in Reaktion auf den erfassten Strom Ip der Pumpzelle nahezu kontinuierlich gesteuert wird. Der erfasste Strom Ip wird in einen A/F-Wert umgewandelt. Bei der NO_x-Konzentrationsmessung wird andererseits der Strom Is der Sensorzelle 130 erfasst, während die Spannung der Sensorzelle 130 auf einem vorbestimmten Wert gehalten wird. Der erfasste Strom Is der Sensorzelle 130 wird in eine NO_x-Konzentration umgewandelt.
Nach der Messung von A/F und der NO_x-Konzentration führt die Steuereinrichtung 200 bei Schritt 120 einen Testvorgang durch, um zu sehen, ob eine vorbestimmte Zeit Tb seit der letzten Elementimpedanzmessung verstrichen ist. Die zweite vorbestimmte Zeit Tb ist ein einer Periode der Erfassung der Elementimpedanz Zac entsprechendes Zeitintervall und wird beispielsweise auf ein von 128 Millisekunden bis 2 Sekunden reichenden Wert selektiv eingestellt. Falls bei Schritt 120 das Ergebnis JA ist, dann misst die Steuereinrichtung 200 bei Schritt 130 die Elementimpedanz Zac und stellt den Strom durch das Heizelement 151 bei Schritt 140 ein. Die Erfassung der Elementimpedanz Zac wird später beschrieben.
Die Heizelementstromsteuerung kann durch ein beliebiges geeignetes Verfahren ausgeführt werden, dass den Heizelementstrom so steuert, dass es eine Übereinstimmung der Elementimpedanz Zac mit einem Zielwert verursacht. Falls beispielsweise die Temperatur der Festkörperelektrolytelemente 141 und 142 des Gaskonzentrationssensors 100 gering und demzufolge die Elementimpedanz Zac relativ groß ist, dann bringt die Steuereinrichtung 200 das Tastverhältnis des Heizelementstroms auf 100%. Mit steigender Elementtemperatur berechnet die Steuereinrichtung 200 ein zweckmäßiges Tastverhältnis unter Verwendung der gut bekannten PID-Technik und lässt einen Strom mit dem berechneten Tastverhältnis durch das Heizelement 151 fließen.
Unter Bezugnahme auf Fig. 5 wird die Elementimpedanzmessung bei Schritt 130 gemäß Fig. 4 nachstehend näher beschrieben. Bei Fig. 5 wechselt die Steuereinrichtung 200 den Umschaltstromkreis 213 bei Schritt 131 von aus nach an, wodurch eine Veränderung des Werts des Abtastwiderstands von in der Größenordnung von einigen hundert kΩ auf etwa 100 Ω verursacht wird. Dann verändert die Steuereinrichtung 200 bei Schritt 132 sofort die Spannung der Überwachungszelle 120, die auf einer vorbestimmten Befehlsspannung Vc für eine Restsauerstoffkonzentrationsmessung gehalten wurde, für einen einzigen Moment von etwa 10-110 µs auf die positive Seite.
Die Steuereinrichtung 200 liest die Variation der Spannung der Überwachungszelle 120 und die Variation des Stroms Im der Überwachungszelle 120 bei Schritt 133, berechnet die Elementimpedanz Zac aus der gelesenen Spannungsvariation und der gelesenen Stromvariation zu:

Zac = Spannungsvariation/Stromvariation

bei Schritt 134, schaltet den Umschaltstromkreis 135 von an nach aus bei Schritt 135 und kehrt zur Hauptroutine von Fig. 4 zurück.
Gemäß dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die Elementimpedanz Zac ohne eine Unterbrechung weder der NO_x-Konzentrationsmessung in der Sensorzelle 130 noch der A/F- (oder Sauerstoffkonzentrations-)Messung in der Pumpzelle 110 vorteilhaft gemessen, da die Elementimpedanz Zac unter Verwendung der Überwachungszelle 120 des Gaskonzentrationssensors 100 gemessen wird.
Da ferner die Überwachungszelle 120 und die Sensorzelle 120 nahe beieinander angeordnet sind (sodass der Temperaturgradient - zwischen den Zellen 120 und 130 vernachlässigt werden kann), ermöglicht eine Steuerung des Heizelementstroms auf der Grundlage der Elementimpedanz Zac der Überwachungszelle 120 ein Halten von nicht nur der Überwachungszelle 120, sondern auch der Sensorzelle 130 in einem gewünschten aktiven Zustand. Dies bedeutet, dass die Variation der Temperatur der Sensorzelle 130 unterdrückt werden kann, was die Genauigkeit der NO_x- Konzentrationsmessung verbessert.
Zudem teilen bei dem Gaskonzentrationssensor 100 die Überwachungszelle 120 und die Sensorzelle 130 eine gemeinsame Elektrode, und die Elementimpedanz Zac wird durch sofortiges Verändern der an die von der gemeinsamen Elektrode verschiedenen Elektrode der Überwachungszelle 120 angelegte Spannung der Überwachungszelle gemessen. Dies ermöglicht die Vereinfachung des Aufbaus und eine genaue Impedanzmessung. Anstelle der Bereitstellung der gemeinsamen Elektrode weisen jedoch die Überwachungszelle 120 und die Sensorzelle 130 ihre jeweiligen Elektroden auf beiden Seiten der Festkörperelektrolytelements 141 auf. Dabei kann die Elektrode, deren Spannung für die Impedanzmessung zu verändern ist, irgendeine der Elektroden der Überwachungszelle 120 sein.
Da die erfindungsgemäße Gaskonzentrationsmessvorrichtung so angeordnet ist, dass sie zwei verschiedene Werte des Abtastwiderstands für die Restsauerstoffkonzentrationsmessung und die Elementimpedanzmessung mittels der Überwachungszelle 120 verwendet, eliminiert dies Nachteile wie etwa die Bereichsüberschreitung und eine Verschlechterung der Messgenauigkeit.

Abwandlungen

Bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel wurde die Elementimpedanz unter Verwendung der Überwachungszelle 120gemessen. Eine erste Abwandlung des Ausführungsbeispiels misst jedoch die Elementimpedanz unter Verwendung der Pumpzelle 110.
Die Punkte bezüglich derer die erste Abwandlung sich von dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel unterscheidet sind, dass bei der ersten Abwandlung das LPF 209 von der DAC0- Ausgangsschaltung zu der DAC1-Ausgangsschaltung verschoben wurde, damit die DAC1-Ausgabe für die Elementimpedanzmessung durch die Pumpzelle 110 geglättet wird; die Elementimpedanz gemäß dem Flussdiagramm von Fig. 6 anstelle dem von Fig. 5 gemessen wird; und eine Reihenschaltung des Schalters 213 und des Widerstands 212 entfernt wurde.
Bei Fig. 6 verändert die Steuereinrichtung 200 sofort die Spannung der Pumpzelle 110, welche auf die Befehlsspannung Vb für die A/F-Messung eingestellt wurde, für einen einzigen Moment von 10-100 µs auf die positive Seite bei Schritt 201; sie erfasst bei Schritt 202 die Variation der Spannung der Pumpzelle 110 und die Variation des Stroms der Pumpzelle 110; und berechnet bei Schritt 203 die Elementimpedanz Zac aus der Spannungsvariation und der Stromvariation (Zac = Spannungsvariation/Stromvariation).
Es wird angemerkt, dass bei der Messung der Elementimpedanz Zac mit der Pumpzelle 110, der Strom der Pumpzelle 110 einige mA sowohl bei der A/F-Messung als auch bei der Impedanzmessung beträgt. Aus diesem Grund ist die Bereitstellung eines Umschaltstromkreises zum Verschieben der Abtastwiderstandswerte gemäß Fig. 1 nicht nötig.
Gemäß der vorstehend beschriebenen ersten Abwandlung wird auch dabei die Elementimpedanz Zac vorteilhaft gemessen, ohne die NO_x-Konzentration in der Sensorzelle 130 zu unterbrechen, da die Elementimpedanz Zac unter Verwendung der Pumpzelle 110 des Gaskonzentrationssensors 110 gemessen wird.
Da die Pumpzelle 110 in einem gewünschten aktiven Zustand beibehalten wird, arbeitet zudem die Sauerstoffabgasfunktion durch die Pumpzelle 110 einwandfrei, wodurch die Überschusssauerstoffkonzentration innerhalb der Kammer konstant gehalten wird. Dies stellt die Genauigkeit der NO_x- Konzentrationsmessung sicher.
Eine breite Anzahl von Abwandlungen sind für das vorstehend beschriebene darstellende Ausführungsbeispiel möglich.
Beispielsweise wird vorstehend der Gaskonzentrationssensor 100 bei der Gaskonzentrationsmessvorrichtung verwendet, die Erfindung kann aber auch unter Verwendung von anderen geeigneten Gaskonzentrationssensoren implementiert werden. Einige anwendbare Gaskonzentrationssensoren werden nachstehend beschrieben. Bei den nachstehend beschriebenen Gaskonzentrationssensoren sind die zur Fig. 2 selben Elemente durch dieselben Bezugszeichen bezeichnet, und ihre Beschreibung wird weggelassen. Bei jedem der nachstehend beschriebenen Gaskonzentrationssensoren kann die Elementimpedanz entweder unter Verwendung der Überwachungszelle 120 und der Impedanzmessroutine gemäß Fig. 5 oder unter Verwendung der Pumpzelle 110 und der Impedanzmessroutine gemäß Fig. 6 gemessen werden.
Bei dem Gaskonzentrationssensor 300 gemäß Fig. 7 wird die Pumpzelle 110 bei dem oberen Festkörperelektrolytelement 141 bereitgestellt, und die Überwachungszelle 120 und die Sensorzelle 130 werden bei dem unteren Festkörperelektrolytelement 142 bereitgestellt. Mit anderen Worten, im Vergleich zu Fig. 2 sind die Zellen 110, 120 und 130 bei den oberen und unteren Festkörperelektrolytelementen 141 bzw. 142 umgekehrt angeordnet. Ferner muss gemäß Vorstehendem die Überwachungszelle 120 und die Sensorzelle 130 lediglich nahe beieinander und parallel zueinander angeordnet sein, sodass sie bezüglich dem Abgasfluss gleich positioniert sind (oder derart, dass im Wesentlichen kein Temperaturgradient zwischen den Zellen 120 und 130 vorliegt). Solange diese Bedingung erfüllt ist, kann die Überwachungszelle 120 und die Sensorzelle 130 entweder oberhalb oder unterhalb des . Abgasflusses oder auf der rechten und linken Seite der Mittellinie des Abgasflusses angeordnet sein.
Der Gaskonzentrationssensor 400 gemäß Fig. 8 ist im Wesentlichen identisch zu dem gemäß Fig. 2, außer dass bei Fig. 8 die Überwachungszelle 120 zu der ersten Kammer 144 verschoben wurde, und demzufolge die Luftpassage 148 so verlängert wurde, dass sie die verschobene Überwachungszelle 120 vollständig enthält.
Der Gaskonzentrationssensor 500 gemäß Fig. 9 ist im Wesentlichen identisch zu dem gemäß Fig. 2, außer dass bei Fig. 9 die Überwachungszelle 120 bei dem unteren Festkörperelektrolytelement 142 anstelle des oberen Festkörperelektrolytelements 141 bereitgestellt wurde. Dies bedeutet, dass die Überwachungszelle 120 und die Sensorzelle 130 bei verschiedenen Festkörperelektrolytelementen bereitgestellt sind, aber einer identischen Kammer zugewandt sind.
Erneut sind bei den vorstehend beschriebenen Gaskonzentrationssensoren die Überwachungszelle 120 und die Sensorzelle 130 relativ nahe beieinander oder in einem Bereich angeordnet, wo es im Wesentlichen keinen Temperaturgradienten gibt. Die Impedanzsteuerung bei der Überwachungszelle 120 ergibt eine ähnliche Steuerung der Sensorzelle 130. Es wird angemerkt, dass die Erfindung außerdem durch Verwendung eines Gaskonzentrationssensors mit mehr als drei Zellen ausgeführt werden kann.
Die Fig. 10A und 10B zeigen jeweils beispielhafte Gaskonzentrationssensoren mit vier Zellen. Der Gaskonzentrationssensor 600 gemäß Fig. 10A ist im Wesentlichen identisch zu dem gemäß Fig. 7, außer dass bei Fig. 10A eine zusätzliche zweite Überwachungszelle 160 bei dem unteren Festkörperelektrolytelement 142 bereitgestellt wurde, sodass es der ersten Kammer 144 zugewandt ist. Der Gaskonzentrationssensor 700 gemäß Fig. 10B ist im Wesentlichen identisch zu dem gemäß Fig. 7, außer dass bei Fig. 10B eine zusätzliche zweite Pumpzelle 170 bei dem oberen Festkörperelektrolytelement 141 bereitgestellt wurde, sodass sie der zweiten Kammer 146 zugewandt ist. Bei Gaskonzentrationsmessvorrichtungen, welche diese Gaskonzentrationssensoren 600 und 700 verwenden, wird die Elementimpedanzmessung vorzugsweise unter Verwendung einer der Sensorzelle 130 nächstliegenden Zelle ausgeführt. Die Elementimpedanzmessung wird beispielsweise vorzugsweise sowohl in der Fig. 10A als auch in der Fig. 10B unter Verwendung der Überwachungszelle 120 ausgeführt. Die neu hinzugefügten Zellen 160 und 170 können jedoch für die Elementimpedanzmessung bei den Gaskonzentrationssensoren 600 und 700 verwendet werden. In derartigen Fällen würde eine Verwendung der zweiten Pumpzelle 170 bei dem Gaskonzentrationssensor 700 gemäß Fig. 10B sehr viel besser sein, als eine Verwendung der zweiten Überwachungszelle 160 bei dem Gaskonzentrationssensor 600 gemäß Fig. 10A. Selbstverständlich ist die Erfindung auf Gaskonzentrationssensoren mit mehr als vier Zellen anwendbar.
Zusätzlich zu der Pumpzelle 110, der Überwachungszelle 120 und der Sensorzelle 130 kann ein Gaskonzentrationssensor mit einer für die Elementimpedanzmessung vorgesehenen Zelle versehen sein. Eine derartige Impedanzmessungszelle kann beispielsweise entweder bei dem Festkörperelektrolytelement bereitgestellt sein, bei dem die Sensorzelle 130 bereitgestellt ist, oder in der Kammer, der die Sensorzelle 130 zugewandt ist. Erneut wird die Elementimpedanz durch sofortiges Wechseln der Spannung der Impedanzmessungszelle auf dieselbe vorstehend beschriebene Weise gemessen.
Fig. 11 zeigt eine Schnittansicht eines beispielhaften Aufbaus eines Gaskonzentrationssensors, auf den die Erfindung anwendbar ist, und wobei eine λ-Zelle nahe der Pumpzelle 110 bereitgestellt ist. Die λ-Zelle stellt eine von der Sauerstoffkonzentration innerhalb der Kammer abhängige elektromotorische Kraft bereit. Bei Fig. 11 wird die λ-Zelle 180 bei dem oberen Festkörperelektrolytelement 141 bereitgestellt. Die elektromotorische Kraft durch die λ-Zelle 180 wird durch das Voltmeter 181 gemessen. Die Messung der elektromotorischen Kraft wird durch die Steuereinrichtung 200 aufgenommen.
Es wird angemerkt, dass die Elektroden der Überwachungszelle 120 und der Sensorzelle 130 nicht notwendigerweise eine rechteckige Gestalt aufweisen müssen, sondern beliebige geeignete jeweilige Formen annehmen können. Falls die Überwachungszelle 120 und die Sensorzelle 130 so angeordnet sind, dass sie bezüglich des Abgasflusses gleich positioniert sind, wie bei dem Gaskonzentrationssensor 100 gemäß Fig. 2, dann können die Elektroden 121 und 131 der Überwachungszelle 120 und der Sensorzelle 130 gewellt oder kammzahnförmig auf den benachbarten Seiten sein. Außerdem können die Elektroden 121 und 131 asymmetrische Formen aufweisen.
Bei der vorstehenden Beschreibung wurde die Spannung der Überwachungszelle 120 oder der Pumpzelle 110 zur Impedanzmessung verändert. Alternativ kann der durch die Überwachungszelle 120 oder durch die Pumpzelle 110 fließende Strom sofort gewechselt werden. In jedem Fall wird die Elementimpedanz aus der Spannungsvariation und der Stromvariation zu diesem Zeitpunkt festgestellt.
Die vorliegende Erfindung ist nicht nur auf zur Messung der NO_x-Gaskonzentration befähigte Gaskonzentrationssensoren anwendbar, sondern auch auf zur Messung der HC-Konzentration oder CO-Konzentration als der Konzentration eines spezifischen Gasbestandteils befähigte Gaskonzentrationssensoren. Bei einem derartigen Fall wird der Überschusssauerstoff in dem Abgas zunächst unter Verwendung einer Pumpzelle ausgestoßen, und die HC- oder CO-Konzentration in dem Restabgas wird unter Verwendung einer Sensorzelle erfasst.
Die Erfindung ist außerdem auf verschiedenartige Gaskonzentrationsmessvorrichtungen für eine von einem Fahrzeug verschiedene Verwendung anwendbar. Dies bedeutet, dass die Erfindung auf die Erfassung der Konzentration von einem anderen Gas als Abgas angewendet werden kann.
Gemäß vorstehender Beschreibung kann eine Gaskonzentrationsmessvorrichtung, die einen Gaskonzentrationssensor beinhaltet, den Elementwiderstand ohne eine Beeinflussung der Gaskonzentrationsmessung messen. Die abtastenden Zellen weisen einen Aufbau mit einem Festkörperelektrolytelement und so bereitgestellten Elektroden auf, dass sie einander mit dem Festkörperelektrolytelement dazwischen zugewandt sind, und werden durch Erwärmung der abtastenden Zellen in Reaktion auf eine Elementimpedanz des Festkörperelektrolytelements aktiv gehalten. Die abtastenden Zellen beinhalten typischerweise eine Pumpzelle, eine Sensorzelle und eine Überwachungszelle. Ein Heizelement ist in einem beliebigen Festkörperelektrolytelement eingebettet. Eine Sensorzellenspannung wird an die Sensorzelle angelegt, während ein durch die Sensorzelle fließender Strom erfasst wird. Die Konzentration des spezifischen Gasbestandteils in dem Objektgas wird anhand des erfassten Stroms festgestellt. Bei der Elementimpedanzmessung wechselt der elektronische Schaltungsabschnitt sofort eine an eine zur Elementimpedanzmessung verwendeten Zelle angelegte Spannung, während die Elementimpedanz aus Variationen bei Spannung und Strom erfasst wird. In Reaktion auf die Elementimpedanz wird dem Heizelement elektrische Energie zugeführt, sodass die Zellen aktiv gehalten werden.
Viele breit verschiedene Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung können aufgebaut werden, ohne von dem Erfindungsbereich abzuweichen. Es ist ersichtlich, dass die- Erfindung nicht auf die vorliegend beschriebenen speziellen Ausführungsbeispiele beschränkt ist, sofern dies nicht in den beigefügten Ansprüchen definiert ist.

Claims

1. Gaskonzentrationsmessvorrichtung mit:
einem Gaskonzentrationssensor mit:
einer Pumpzelle zum Pumpen von Sauerstoff aus einem oder in ein in eine Kammer eingeführtes Objektgas;
einer Sensorzelle zum Erfassen einer Konzentration einer spezifischen Gaskomponente in einem durchgeströmten Objektgas, das die Pumpzelle passiert hat;
einer Überwachungszelle zum Erfassen einer Restsauerstoffkonzentration; und
einem Heizelement zum Erwärmen der Zellen,
wobei jede Zelle einen Aufbau mit einem Festkörperelektrolytelement und so bereitgestellten Elektroden aufweist, dass diese mit dem Festkörperelektrolytelement dazwischen einander zugewandt sind, und
wobei die Zellen aktiv gehalten werden, indem die Zellen mit dem Heizelement in Reaktion auf eine Elementimpedanz eines der Festkörperelektrolytelemente erwärmt werden, dabei umfasst die Gaskonzentrationsmessvorrichtung ferner:
eine Anlegeeinrichtung zum Anlegen einer Sensorzellenspannung an die Sensorzelle, während ein durch die Sensorzelle fließender Strom erfasst wird;
eine Feststellungseinrichtung zum Feststellen der Konzentration des spezifischen Gasbestandteils in dem Objektgas aus dem erfassten Strom;
eine Erfassungseinrichtung, die bei der Elementimpedanzmessung zum sofortigen Wechseln einer Spannung oder eines Stroms aktiviert wird, welche bzw. welcher einer von den von der Sensorzelle verschiedenen Zellen zugeführt wird, und die bei dem Einen der Festkörperelektrolytelemente bereitgestellt ist, während die Elementimpedanz aus Veränderungen bei der Spannung und einem erfassten Strom oder aus Veränderungen bei dem Strom und einer erfassten Spannung erfasst wird; und
eine Zuführungseinrichtung zum Zuführen von elektrischer Energie an das Heizelement, so dass die Zellen in Reaktion auf die Elementimpedanz aktiv gehalten werden.

2. Gaskonzentrationsmessvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Sensorzelle und die von der Sensorzelle verschiedene Zelle in einem Bereich angeordnet sind, wo im wesentlichen kein Temperaturgradient vorliegt.

3. Gaskonzentrationsmessvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Zuführungseinrichtung eine Einrichtung für die Zufuhr von elektrischer Energie aufweist, damit die Elementimpedanz gleich einem gewünschten Zielwert ist.

4. Gaskonzentrationsmessvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die von der Sensorzelle verschiedenen Zelle die Pumpzelle ist, und das Eine der Festkörperelektrolytelemente ein Festkörperelektrolytelement ist, bei dem die Pumpzelle bereitgestellt ist.

5. Gaskonzentrationsmessvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die von der Sensorzelle verschiedenen Zelle die Überwachungszelle ist, und das Eine der Festkörperelektrolytelemente ein Festkörperelektrolytelement ist, bei dem die Überwachungszelle bereitgestellt ist.

6. Gaskonzentrationsmessvorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Erfassungseinrichtung eine in einem Überwachungszellenstrompfad bereitgestellte Abtastwiderstandseinrichtung beinhaltet, die zudem in Reaktion auf eine Steuerung von Außen für das Einnehmen von einem von zwei für eine Restsauerstoffkonzentrationsmessung und die Elementimpedanzmessung angepassten Werten befähigt ist, dabei beinhaltet die Gaskonzentrationsmessvorrichtung ferner eine auf einen Befehl zum Alternieren zwischen der Elementimpedanzmessung und der Restsauerstoffkonzentrationsmessung ansprechende Einrichtung, damit die Abtastwiderstandseinrichtung mit der Steuerung versehen wird, um die Abtastwiderstandseinrichtungen zum Einnehmen von einem der zwei zum Alternieren geeigneten Werte zu veranlassen.

7. Gaskonzentrationsmessvorrichtung nach Anspruch 1, wobei sowohl die Überwachungszelle als auch die Sensorzelle bei einem Einzigen der Festkörperelektrolytelemente bereitgestellt sind.

8. Gaskonzentrationsmessvorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Überwachungszelle und die Sensorzelle in einem Bereich angeordnet sind, wo es im wesentlichen keinen Temperaturgradienten gibt.

9. Gaskonzentrationsmessvorrichtung nach Anspruch 8, wobei:
die Eine der Zellen die Überwachungszelle ist; die Überwachungszelle und die Sensorzelle bei dem Einen der Festkörperelektrolytelemente bereitgestellt sind;
auf einer Seite des Einen der Festkörperelektrolytelemente eine Elektrode der Überwachungszelle und eine Elektrode der Sensorzelle als einzelne gemeinsame Elektrode implementiert sind; und
die Erfassungseinrichtung eine Einrichtung zum sofortigen Wechseln einer Spannung oder eines Stromes beinhaltet, die bzw. der einer von der gemeinsamen Elektrode verschiedenen Elektrode der Überwachungszelle zugeführt wird.

10. Gaskonzentrationsmessvorrichtung nach Anspruch 9, wobei:
das Eine der Festkörperelektrolytelemente und ein Festkörperelektrolytelement der Pumpzelle mit einer Lücke dazwischen parallel zueinander zugewandt sind;
eine Elektrode der Pumpzelle, die auf einer Außenseite des Pumpzellenfestkörperelektrolytelementes bereitgestellt ist, einem ersten Luftpfad ausgesetzt ist;
die gemeinsame Elektrode der Überwachungszelle und die Sensorzelle einem zweiten Luftpfad ausgesetzt sind; und
die anderen Elektroden der Pumpzelle, der Überwachungszelle und der Sensorzelle alle der Lücke ausgesetzt sind.

11. Gaskonzentrationsmessvorrichtung nach Anspruch 1, wobei:
der Gaskonzentrationssensor zudem entweder eine zweite Pumpzelle oder eine zweite Überwachungszelle beinhaltet; und
die Eine der Zellen die der Sensorzelle nächste Zelle ist.