DE10240918A1

DE10240918A1 - Gassensor und Verfahren zum Ermitteln einer Gaskonzentration

Info

Publication number: DE10240918A1
Application number: DE10240918A
Authority: DE
Inventors: Keigo Mizutani; Kazunori Suzuki; Toshitaka Saito; Daisuke Makino
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2001-09-05
Filing date: 2002-09-04
Publication date: 2003-08-14
Also published as: JP2003156470A; US20030042152A1; JP3776386B2; US6994780B2

Abstract

Ein Gassensor schließt eine Messgas-Kammer ein, in die ein Messgas eingeleitet wird. Eine Sauerstoffpumpzelle stellt eine Sauerstoffkonzentration in der Messags-Kammer ein. Eine Sauerstoffkontrollzelle hat eine Kontrollelektrode, die in der Messags-Kammer freiliegt. Die Kontrollelektrode hat eine oxidierende Wirkung in Bezug auf eine spezifische Komponente des Messgases. Eine Sensorzelle hat eine Sensorelektrode, die in der Messgas-Kammer freiliegt. Die Sensorelektrode hat eine oxidierende Wirkung in Bezug auf eine spezifische Komponente des Messgases, die geringer ist als die oxidierende Wirkung der Kontrollelektrode. Ein Sauerstoffionenstrom in der Sauerstoffkontrollzelle wird ermittelt. Ein Sauerstoffionenstrom in der Sensorzelle wird ermittelt. Eine Konzentration der spezifischen Komponente des Messgases wird aus einer Beziehung zwischen den ermittelten Sauerstoffionenströmen in der Sauerstoffkontrollzelle und in der Sensorzelle ermittelt.

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf einen Gassensor zum Ermitteln der Konzentration einer spezifischen Komponente in einem Gas. Zudem bezieht sich diese Erfindung auf ein Verfahren zum Ermitteln der Konzentration einer spezifischen Komponente in einem Gas.
Die Europäische Patentanmeldungsschrift Nummer EP-A-0678740, die der Japanischen Patentanmeldungsschrift Nummer JP-A-8-271476 entspricht, offenbart einen Fühler zum Messen einer Konzentration einer Gaskomponente eines Messgases. Der Fühler in der Europäischen Anmeldung EP-A-0678740 schließt einen ersten Innenraum ein, in den ein Messgas von einem äußeren Messgas-Raum über einen ersten diffusionskontrollierenden Durchlass eingeleitet wird. Ein Zustrom des Messgases zum ersten Innenraum erfährt einen vorbestimmten Diffusionswiderstand, der durch den ersten diffusionskontrollierenden Durchlass bereitgestellt wird. Der erste Innenraum steht über einen zweiten diffusionskontrollierenden Durchlass mit einem zweiten Innenraum in Verbindung. Die Atmosphäre wird von dem ersten Innenraum über den zweiten diffusionskontrollierenden Durchlass unter einem vorbestimmten Diffusionswiderstand, der durch den zweiten diffusionskontrollierenden Durchlass bereitgestellt wird, in den zweiten Innenraum eingeleitet. Eine erste Sauerstoffpumpvorrichtung ist in Betrieb, um einen Sauerstoffpartialdruck in dem ersten Innenraum zu kontrollieren. Eine zweite Sauerstoffpumpvorrichtung ist in Betrieb, um Sauerstoff von der Atmosphäre des zweiten Innenraums auf einen Referenzgas-Kanal hin auszupumpen. Ein Amperemeter ermittelt einen Pumpstrom, der durch den Pumpvorgang der zweiten Sauerstoffpumpvorrichtung verursacht wird. Die Konzentration der Gaskomponente des Messgases wird durch den ermittelten Pumpstrom gemessen.
Das US-Patent Nummer US-A-5,985,118, das der Japanischen Patentanmeldungsschrift JP-A-10-185868 entspricht, offenbart einen Gaskonzentrationsdetektor, der laminierte Festelektrolytschichten verwendet. Der Gaskonzentrationsdetektor misst eine Konzentration von Gasbestandteilen in einem Messgas so wie etwa Abgas eines Verbrennungsmotors, ohne von der Sauerstoffkonzentration in dem Messgas beeinflusst zu sein. Das Messgas wird in einen inneren Hohlraum des Detektors eingeleitet und Außenluft wird als ein Referenzgas in einen Luftdurchlass in dem Detektor eingeleitet. Die Sauerstoffkonzentration in dem Messgas in dem inneren Hohlraum wird durch Betreiben einer Sauerstoffpumpzelle, die durch eine ionenleitfähige Festelektrolytschicht und einem auf beiden Seiten der Oberfläche der Schicht ausgebildeten Elektrodenpaar gebildet wird, auf einem vorbestimmten Niveau gehalten. Die Sauerstoffkonzentration in dem inneren Hohlraum wird durch eine Sauerstoff-Sensorzelle gemessen, deren eine Elektrode dem Messgas in dem inneren Hohlraum ausgesetzt ist und deren andere Elektrode dem Referenzgas ausgesetzt ist. Die Konzentration der Gasbestandteile in dem Messgas wird mittels eines Ionenstroms gemessen, der in einer Detektorzelle erzeugt wird, die durch eine ionenleitfähige Festelektrolytschicht und einem auf beiden Seiten der Oberfläche der Schicht ausgebildeten Elektrodenpaar gebildet wird, wobei eine Elektrode dem Messgas in dem inneren Hohlraum ausgesetzt ist und die andere Elektrode dem Referenzgas in dem Luftdurchlass ausgesetzt ist. Eine von beiden Elektroden, die Sensorz- und die Detektorzell- Elektrode, die dem Messgas in dem inneren Hohlraum ausgesetzt sind, ist aus einem Material gemacht, das gegenüber den zu messenden Gasbestandteilen aktiv ist, und die andere Elektrode ist aus einem Material gemacht, das diesen gegenüber inaktiv ist.
Wie später erläutert werden wird, weist ein Kohlenwasserstoff-Gassensor des Standes der Technik in dem Fall wechselnder Messumgebungen leicht einen Fehler im Ergebnis der Ermittlung einer Kohlenwasserstoff- Gaskonzentration auf.
Es ist eine erste Aufgabe dieser Erfindung, einen Gassensor zum Ermitteln einer Konzentration einer spezifischen Komponente in einem Gas bereitzustellen, der selbst bei wechselnden Messumgebungen genau ist.
Es ist eine zweite Aufgabe dieser Erfindung, ein Verfahren zum Ermitteln einer Konzentration einer spezifischen Komponente in einem Gas bereitzustellen, das selbst bei wechselnden Messumgebungen genau ist.
Ein erster Aspekt dieser Erfindung stellt einen Gassensor bereit umfassend: eine Messgas-Kammer; eine erste Vorrichtung zum Einleiten eines Messgases in die Messgas-Kammer unter einem vorgeschriebenen Diffusionswiderstand; eine Sauerstoffpumpzelle zum Einstellen einer Sauerstoffkonzentration in der Messgas- Kammer, dabei hat die Sauerstoffpumpzelle 1) ein erstes Festelektrolytelement, 2) eine erste Pumpelektrode und 3) eine zweite Pumpelektrode, wobei das erste Festelektrolytelement eine Sauerstoffionenleitfähigkeit besitzt, die erste Pumpelektrode in der Messgas-Kammer freiliegt und sich auf einer ersten Oberfläche des ersten Festelektrolytelements erstreckt, sich die zweite Pumpelektrode auf einer zweiten Oberfläche des ersten Festelektrolytelements erstreckt und von der Messgas- Kammer getrennt ist; eine zweite Vorrichtung zum Anlegen einer Spannung zwischen der ersten und zweiten Pumpelektrode, um die Sauerstoffpumpzelle zu aktivieren; eine Sauerstoffkontrollzelle mit 1) einem zweiten Festelektrolytelement, 2) einer ersten Kontrollelektrode und 3) einer zweiten Kontrollelektrode, wobei das zweite Festelektrolytelement eine Sauerstoffionenleitfähigkeit hat, die erste Kontrollelektrode in der Messgas-Kammer freiliegt und sich auf einer ersten Oberfläche des zweiten Festelektrolytelements erstreckt, die erste Kontrollelektrode eine oxidierende Wirkung im Bezug auf eine spezifische Komponente des Messgases hat, die zweite Kontrollelektrode einem Referenzgas ausgesetzt ist und sich auf einer zweiten Oberfläche des zweiten Festelektrolytelements erstreckt; eine Sensorzelle mit 1) einem dritten Festelektrolytelement, 2) einer ersten Sensorelektrode und 3) einer zweiten Sensorelektrode, wobei das dritte Festelektrolytelement eine Sauerstoffionenleitfähigkeit hat, die erste Sensorelektrode in der Messgas-Kammer freiliegt und sich auf einer ersten Oberfläche des dritten Festelektrolytelements erstreckt, die erste Sensorelektrode eine oxidierende Wirkung im Bezug auf die spezifische Komponente des Messgases hat, die geringer ist als die oxidierende Wirkung der ersten Kontrollelektrode, die zweite Sensorelektrode dem Referenzgas ausgesetzt ist und sich auf einer zweiten Oberfläche des dritten Festelektrolytelements erstreckt; eine dritte Vorrichtung zum Anlegen einer Spannung zwischen der ersten und zweiten Kontrollelektrode; eine vierte Vorrichtung zum Ermitteln eines Sauerstoffionenstroms in der Sauerstoffkontrollzelle, wenn die dritte Vorrichtung die Spannung zwischen der ersten und zweiten Kontrollelektrode anlegt; eine fünfte Vorrichtung zum Anlegen einer Spannung zwischen der ersten und zweiten Sensorelektrode; eine sechste Vorrichtung zum Ermitteln eines Sauerstoffionenstroms in der Sensorzelle, wenn die fünfte Vorrichtung die Spannung zwischen der ersten und zweiten Sensorelektrode anlegt; und eine siebte Vorrichtung zum Ermitteln einer Konzentration der spezifischen Komponente des Messgases aus einer Beziehung zwischen den durch die vierte und sechste Vorrichtung ermittelten Sauerstoffionenströmen.
Ein zweiter Aspekt dieser Erfindung stellt ein Verfahren zum Ermitteln einer Gaskonzentration bereit, das durchgeführt wird in einem Gassensor mit: einer Messgas-Kammer; einer Sauerstoffpumpzelle mit einer Pumpelektrode, die in der Messgas-Kammer freiliegt, einer Sauerstoffkontrollzelle mit einer Kontrollelektrode, die in der Messgas-Kammer freiliegt und eine oxidierende Wirkung im Bezug auf eine spezifische Komponente eines Messgases hat, und einer Sensorzelle mit einer Sensorelektrode, die in der Messgas-Kammer freiliegt und eine oxidierende Wirkung im Bezug auf die spezifische Komponente des Messgases hat, wobei die oxidierende Wirkung der Sensorzelle geringer ist als die der Kontrollelektrode. Das Verfahren umfasst die Schritte des Einleitens des Messgases in die Messgas-Kammer unter einem vorgeschriebenen Diffusionswiderstand, des Anlegens einer Spannung an die Sauerstoffkontrollzelle, des Anlegens einer Spannung an die Sensorzelle, des Ermittelns eines Sauerstoffionenstroms in der Sauerstoffkontrollzelle, des Ermittelns einer Sauerstoffkonzentration in der Messgas-Kammer aus dem ermittelten Sauerstoffionenstrom in der Sauerstoffkontrollzelle, des Anlegens einer Spannung an die Sauerstoffpumpzelle, der Kontrolle der an die Sauerstoffpumpzelle angelegten Spannung in Reaktion auf die ermittelte Sauerstoffkonzentration in der Messgas- Kammer, um die Sauerstoffkonzentration in der Messgas- Kammer einzustellen, des Ermittelns eines Sauerstoffionenstroms in der Sensorzelle und des Ermittelns einer Konzentration der spezifischen Komponente des Messgases aus einer Beziehung zwischen dem ermittelten Sauerstoffionenstrom in der Sauerstoffkontrollzelle und dem ermittelten Sauerstoffionenstrom in der Sensorzelle.
Ein dritter Aspekt stellt einen Gassensor bereit, umfassend: eine Messgas-Kammer; eine erste Vorrichtung zum Einleiten eines Messgases in die Messgas-Kammer unter einem vorgeschriebenen Diffusionswiderstand; eine Sauerstoffpumpzelle zum Einstellen einer Sauerstoffkonzentration in der Messgas-Kammer, dabei hat die Sauerstoffpumpzelle 1) ein erstes Festelektrolytelement, 2) eine erste Pumpelektrode und 3) eine zweite Pumpelektrode, wobei das erste Festelektrolytelement eine Sauerstoffionenleitfähigkeit besitzt, die erste Pumpelektrode in der Messgas-Kammer freiliegt und sich auf einer ersten Oberfläche des ersten Festelektrolytelements erstreckt, die erste Pumpelektrode eine oxidierende Wirkung im Bezug auf eine spezifische Komponente des Messgases hat, sich die zweite Pumpelektrode auf einer zweiten Oberfläche des ersten Festelektrolytelements erstreckt und von der Messgas- Kammer getrennt ist; eine zweite Vorrichtung zum Anlegen einer Spannung zwischen der ersten und zweiten Pumpelektrode, um die Sauerstoffpumpzelle zu aktivieren; eine Sensorzelle mit 1) einem zweiten Festelektrolytelement, 2) einer ersten Sensorelektrode und 3) einer zweiten Sensorelektrode, wobei das zweite Festelektrolytelement eine Sauerstoffionenleitfähigkeit hat, die erste Sensorelektrode in der Messgas-Kammer freiliegt und sich auf einer ersten Oberfläche des zweiten Festelektrolytelements erstreckt, die erste Sensorelektrode eine oxidierende Wirkung im Bezug auf eine spezifische Komponente des Messgases hat, die geringer ist als die oxidierende Wirkung der ersten Pumpelektrode, die zweite Sensorelektrode einem Referenzgas ausgesetzt ist und sich auf einer zweiten Oberfläche des zweiten Festelektrolytelements erstreckt; eine dritte Vorrichtung zum Ermitteln eines Sauerstoffionenstroms in der Sauerstoffpumpzelle, wenn die zweite Vorrichtung die Spannung zwischen der ersten und zweiten Pumpelektrode anlegt; eine vierte Vorrichtung zum Anlegen einer Spannung zwischen der ersten und zweiten Sensorelektrode; eine fünfte Vorrichtung zum Ermitteln eines Sauerstoffionenstroms in der Sensorzelle, wenn die vierte Vorrichtung die Spannung zwischen der ersten und zweiten Sensorelektrode anlegt; und eine sechste Vorrichtung zum Ermitteln einer Konzentration der spezifischen Komponente des Messgases aus einer Beziehung zwischen den durch die dritte und fünfte Vorrichtung ermittelten Sauerstoffionenströmen.
Ein vierter Aspekt dieser Erfindung stellt ein Verfahren zum Ermitteln einer Gaskonzentration bereit, das durchgeführt wird in einem Gassensor mit: einer Messgas-Kammer; einer Sauerstoffpumpzelle mit einer Pumpelektrode, die in der Messgas-Kammer freiliegt und eine oxidierenden Wirkung im Bezug auf eine spezifische Komponente eines Messgases hat, und einer Sensorzelle mit einer Sensorelektrode, die in der Messgas-Kammer freiliegt und eine oxidierende Wirkung im Bezug auf die spezifische Komponente des Messgases hat, wobei die oxidierende Wirkung der Sensorzelle geringer ist als die der Pumpelektrode. Das Verfahren umfasst die Schritte des Einleitens des Messgases in die Messgas-Kammer unter einem vorgeschriebenen Diffusionswiderstand, des Anlegens einer Spannung an die Sauerstoffpumpzelle, des Anlegens einer Spannung an die Sensorzelle, des Ermittelns eines Sauerstoffionenstroms in der Sauerstoffpumpzelle, des Ermittelns eines Sauerstoffionenstroms in der Sensorzelle und des Ermittelns einer Konzentration der spezifischen Komponente des Messgases aus einer Beziehung zwischen dem ermittelten Sauerstoffionenstrom in der Sauerstoffpumpzelle und dem ermittelten Sauerstoffionenstrom in der Sensorzelle.
Fig. 1 ist ein Schnittdiagramm eines Kohlenwasserstoff-Gassensors des Standes der Technik.
Fig. 2 ist ein Schnittdiagramm eines Gassensors gemäß einer ersten Ausführungsform dieser Erfindung.
Fig. 3 ist eine perspektivische Einzelteildarstellung des Körpers des Gassensors aus Fig. 2.
Fig. 4 ist ein Diagramm der Beziehung zwischen einem Sensorzellenstrom, einer Kohlenwasserstoffkonzentration und einer Kohlenwasserstoffart, die in dem Gassensor der Fig. 2 auftritt.
Fig. 5 ist ein Diagramm der Beziehung zwischen einem Sensorzellenstrom, einer Kohlenwasserstoffkonzentration und einer Kohlenwasserstoffart, die in einem Vergleichsgassensor auftritt.
Fig. 6 ist ein Diagramm der Beziehung zwischen einem Sensorzellenstrom, einer Kohlenwasserstoffkonzentration und einer Sauerstoffkonzentration, die in dem Gassensor der Fig. 2 auftritt.
Fig. 7 ist ein Diagramm der Beziehung zwischen einem Sensorzellenstrom, einer Kohlenwasserstoffkonzentration und einer Sauerstoffkonzentration, die in einem Vergleichsgassensor auftritt.
Fig. 8 ist ein Diagramm der Beziehung zwischen einem Sensorzellenstrom, einer Kohlenwasserstoffkonzentration und einer Kohlenwasserstoffart, die in einem Gassensor gemäß einer zweiten speziellen Ausführungsform dieser Erfindung auftritt.
Fig. 9 ist ein Schnittdiagramm eines Gassensor gemäß einer dritten speziellen Ausführungsform dieser Erfindung.
Fig. 10 ist ein Schnittdiagramm eines Gassensor gemäß einer Vierten speziellen Ausführungsform dieser Erfindung.
Fig. 11 ist ein Schnittdiagramm eines Gassensor gemäß einer fünften speziellen Ausführungsform dieser Erfindung.
Fig. 12 ist ein Diagramm der Beziehung zwischen einem Sensorzellenstrom, einer Kohlenwasserstoffkonzentration und einer Kohlenwasserstoffart, die in dem Gassensor der Fig. 11 auftritt.
Fig. 13 ist ein Schnittdiagramm eines Gassensor gemäß einer sechsten speziellen Ausführungsform dieser Erfindung.
Fig. 14 ist ein Schnittdiagramm eines Gassensor gemäß einer siebten speziellen Ausführungsform dieser Erfindung.
Ein Kohlenwasserstoff-Gassensor des Standes der Technik wird nachstehend zum besseren Verständnis dieser Erfindung erläutert werden.
Fig. 1 zeigt einen Kohlenwasserstoff-Gassensor 90 des Standes der Technik, ausgelegt um die Kohlenwasserstoffkonzentration in von einem Verbrennungsmotor erzeugten Abgas zu messen (siehe US- Patent Nummer 5.985.118). Wie in Fig. 1 gezeigt schließt der Kohlenwasserstoff-Gassensor 90 des Standes der Technik eine Kontrollzelle 93 und eine Sensorzelle 94 ein. Die Kontrollzelle 93 hat ein Festelektrolytelement 96 und ein Paar Elektroden 931 und 932. Das Festelektrolytelement 96 ist zwischen den Elektroden 931 und 932 sandwichartig angeordnet. Die Elektroden 931 und 932 sind einander entgegengesetzt. Die Elektrode 931, die eine Elektrode auf der Messgasseite bildet, ist gegenüber Kohlenwasserstoffgas aktiv. Die Sensorzelle 94 hat das Festelektrolytelement 96 und ein Paar Elektroden 941 und 942. Das Festelektrolytelement 96 ist zwischen den Elektroden 941 und 942 sandwichartig angeordnet. Die Elektroden 941 und 942 sind einander entgegengesetzt. Die Elektrode 941, die eine Elektrode auf der Messgasseite bildet, ist gegenüber Kohlenwasserstoffgas inaktiv.
Der Gassensor 90 des Standes der Technik in Fig. 1 schließt eine mit einem Messgas gefüllte Kammer 97 ein. Die Elektrode 931 auf der Messgasseite in der Kontrollzelle 93 und die Elektrode 941 auf der Messgasseite in der Sensorzelle 94 sind dem Messgas in der Messgas-Kammer 97 ausgesetzt. Der Gassensor 90 des Stands der Technik in Fig. 1 hat eine mit einem Referenzgas gefüllte Kammer 98. Die andere Elektrode 932 in der Kontrollzelle 93 und die andere Elektrode 942 in der Sensorzelle 94 sind dem Referenzgas in der Referenzgas-Kammer 98 ausgesetzt.
Der Gassensor 90 des Standes der Technik in Fig. 1 schließt eine mit einem Messgas gefüllte Kammer 97 ein. Die Elektrode 931 auf der Messgasseite in der Kontrollzelle 93 und die Elektrode 941 auf der Messgasseite in der Sensorzelle 94 sind dem Messgas in der Messgas-Kammer 97 ausgesetzt. Der Gassensor 90 des Standes der Technik in Fig. 1 hat eine mit einem Referenzgas gefüllte Gaskammer 98. Die andere Elektrode 932 in der Kontrollzelle 93 und die andere Elektrode 942 in der Sensorzelle 94 sind dem Referenzgas in der Referenzgas-Kammer 98 ausgesetzt.
Der Gassensor 90 des Standes der Technik in Fig. 1 schließt eine Pumpzelle 92 zum Einstellen der Sauerstoffkonzentration in dem Messgas innerhalb der Messgas-Kammer 97 ein. Die Pumpzelle 92 hat ein Festelektrolytelement 95 und ein Paar Elektroden 921 und 922. Das Festelektrolytelement 95 ist zwischen den Elektroden 921 und 922 sandwichartig angeordnet. Die Elektroden 921 und 922 sind einander entgegengesetzt.
Während des Betriebs des Gassensors 90 des Standes der Technik in Fig. 1 wird ein Abgas in die Messgas- Kammer 97 als ein Messgas eingeleitet, während ein Referenzgas mit einer vorgeschriebenen konstanten Sauerstoffkonzentration in die Referenzgas-Kammer 98 eingeleitet wird. Da die Elektrode 931 auf der Messgasseite in der Kontrollzelle 93 gegenüber Kohlenwasserstoffgas aktiv ist, reagiert Kohlenwasserstoff in dem Messgas mit dem Sauerstoff darin, wenn er mit der Elektrode 931 auf der Messgasseite in Kontakt tritt. Mit anderen Worten wird Sauerstoff in dem an die Elektrode 931 auf der Messgasseite angrenzenden Messgas verbraucht. Dem gemäß tritt ein Unterschied in der Sauerstoffkonzentration zwischen dem an die Elektrode 931 auf der Messgasseite angrenzenden Messgas und dem an die andere Elektrode 932 angrenzenden Referenzgas in der Kontrollzelle 93 auf. Der Sauerstoffkonzentrationsunterschied verursacht eine elektromotorische Kraft zwischen den Elektroden 931 und 932. Ein Spannungsmesser 933 misst die Spannung zwischen den Elektroden 931 und 932, die von der elektromotorischen Kraft abhängt. Die gemessene Spannung gibt die Sauerstoffkonzentration in dem an die Elektrode 931 auf der Messgasseite angrenzenden Messgas an. Auf diese Weise ermittelt die Kontrollzelle 93 die Sauerstoffkonzentration in dem Messgas, das an die Elektrode 931 auf der Messgasseite angrenzt, die gegenüber Kohlenwasserstoffgas aktiv ist. Eine an die Pumpzelle 92 angelegte Spannung wird so gesteuert, dass die durch die Kontrollzelle 93 ermittelte Sauerstoffkonzentration konstant ist.
Da die Elektrode 941 auf der Messgasseite in der Sensorzelle 94 gegenüber Kohlenwasserstoffgas inaktiv ist, reagiert Kohlenwasserstoff in dem Messgas kaum mit Sauerstoff darin, wenn er mit der Elektrode 941 auf der Messgasseite in Kontakt tritt. Eine Spannung wird zwischen die Elektroden 941 und 942 in der Sensorzelle 94 angelegt und ein in der Sensorzelle 94 fließender elektrischer Strom, der aus einem Sauerstoffionen- Übergang resultiert, wird durch einen Strommesser 943 gemessen. Der gemessene Strom gibt die Sauerstoffkonzentration in dem an die Elektrode 941 auf der Messgasseite angrenzenden Messgas an. Auf diese Weise ermittelt die Sensorzelle 94 die Sauerstoffkonzentration in dem Messgas, das an die Elektrode 941 auf der Messgasseite, die gegenüber Kohlenwasserstoffgas inaktiv ist, angrenzt. Die durch die Kontrollzelle 93 ermittelte Sauerstoffkonzentration und die durch die Sensorzelle 94 ermittelte Sauerstoffkonzentration werden verwendet, um die Kohlenwasserstoff-Gaskonzentration in dem Messgas abzuschätzen.
In dem Gassensor 90 des Standes der Technik der Fig. 1 ermittelt die Kontrollzelle 93 die Sauerstoffkonzentration durch Messen der elektromotorischen Kraft, die zwischen den Elektroden 931 und 932 auftritt. Andererseits ermittelt die Sensorzelle 94 die Sauerstoffkonzentration durch Messen des Sauerstoffionenstroms, der zwischen den Elektroden 941 und 942 fließt. Daher wird die Kohlenwasserstoff- Gaskonzentration aus den zwei unterschiedlichen Zustandsparametern erhalten, das sind die elektromotorische Kraft und der Sauerstoffionenstrom. Die zwei unterschiedlichen Zustandsparameter zeigen jeweils unterschiedliche Schwankungsbreiten, wenn sich die Messumgebungen der Kohlenwasserstoff-Konzentrationen ändern. Daher hat das Ergebnis der Ermittlung der Kohlenwasserstoff-Gaskonzentration in dem Fall wechselnder Messbedingungen leicht einen Fehler. Ein Beispiel für die Veränderung in den Messumgebungen ist eine Veränderung in den Bedingungen der brennbaren Komponenten des Messgases oder eine Veränderung in der Sauerstoffkonzentration in dem Messgas.
Gemäß einer ersten grundlegenden Ausführungsform dieser Erfindung umfasst ein Gassensor eine Messgas- Kammer; eine erste Vorrichtung zum Einleiten eines Messgases in die Messgas-Kammer unter einem vorgeschriebenen Diffusionswiderstand; eine Sauerstoffpumpzelle zum Einstellen einer Sauerstoffkonzentration in der Messgas-Kammer, dabei hat die Sauerstoffpumpzelle 1) ein erstes Festelektrolytelement, 2) eine erste Pumpelektrode und 3) eine zweite Pumpelektrode, wobei das erste Festelektrolytelement eine Sauerstoffionenleitfähigkeit besitzt, die erste Pumpelektrode in der Messgas-Kammer freiliegt und sich auf einer ersten Oberfläche des ersten Festelektrolytelements erstreckt, sich die zweite Pumpelektrode auf einer zweiten Oberfläche des ersten Festelektrolytelements erstreckt und von der Messgas- Kammer getrennt ist; eine zweite Vorrichtung zum Anlegen einer Spannung zwischen der ersten und zweiten Pumpelektrode, um die Sauerstoffpumpzelle zu aktivieren; eine Sauerstoffkontrollzelle mit 1) einem zweiten Festelektrolytelement, 2) einer ersten Kontrollelektrode und 3) einer zweiten Kontrollelektrode, wobei das zweite Festelektrolytelement eine Sauerstoffionenleitfähigkeit hat, die erste Kontrollelektrode in der Messgas-Kammer freiliegt und sich auf einer ersten Oberfläche des zweiten Festelektrolytelements erstreckt, die erste Kontrollelektrode eine oxidierende Wirkung im Bezug auf eine spezifische Komponente des Messgases hat, die zweite Kontrollelektrode einem Referenzgas ausgesetzt ist und sich auf einer zweite Oberflächen des zweiten Festelektrolytelements erstreckt; eine Sensorzelle mit 1) einem dritten Festelektrolytelement, 2) einer ersten Sensorelektrode und 3) einer zweiten Sensorelektrode, wobei das dritte Festelektrolytelement eine Sauerstoffionenleitfähigkeit hat, die erste Sensorelektrode in der Messgas-Kammer freiliegt und sich auf einer ersten Oberfläche des dritten Festelektrolytelements erstreckt, die erste Sensorelektrode eine oxidierende Wirkung im Bezug auf die spezifische Komponente des Messgases hat, die geringer ist als die oxidierende Wirkung der ersten Kontrollelektrode, die zweite Sensorelektrode dem Referenzgas ausgesetzt ist und sich auf einer zweiten Oberfläche des dritten Festelektrolytelements erstreckt; eine dritte Vorrichtung zum Anlegen einer Spannung zwischen der ersten und zweiten Kontrollelektrode; eine vierte Vorrichtung zum Ermitteln eines Sauerstoffionenstroms in der Sauerstoffkontrollzelle, wenn die dritte Vorrichtung die Spannung zwischen der ersten und zweiten Kontrollelektrode anlegt; eine fünfte Vorrichtung zum Anlegen einer Spannung zwischen der ersten und zweiten Sensorelektrode; eine sechste Vorrichtung zum Ermitteln eines Sauerstoffionenstroms in der Sensorzelle, wenn die fünfte Vorrichtung die Spannung zwischen der ersten und zweiten Sensorelektrode anlegt; und eine siebte Vorrichtung zum Ermitteln einer Konzentration der spezifischen Komponente des Messgases aus einer Beziehung zwischen den durch die vierte und sechste Vorrichtung ermittelten Sauerstoffionenströmen.
In dem Gassensor der ersten grundlegenden Ausführungsform dieser Erfindung haben die erste Kontrollelektrode in der Sauerstoffkontrollzelle und die erste Sensorelektrode in der Sensorzelle unterschiedliche oxidierende Wirkungen im Bezug auf die spezifische Komponente des Messgases. Ein Spannung wird zwischen der ersten und zweiten Kontrollelektrode angelegt. Ein Spannung wird zwischen der ersten und zweiten Sensorelektrode angelegt. Ein Sauerstoffionenstrom in der Sauerstoffkontrollzelle wird ermittelt. Ein Sauerstoffionenstrom in der Sensorzelle wird ermittelt. Eine Konzentration der spezifischen Komponente des Messgases wird aus einer Beziehung zwischen dem ermittelten Sauerstoffionenstrom in der Sauerstoffkontrollzelle und dem ermittelten Sauerstoffionenstrom in der Sensorzelle berechnet.
Der Gassensor der ersten grundlegenden Ausführungsform dieser Erfindung arbeitet wie folgt. Ein Messgas wird in die Messgaskammer unter einem vorgeschriebenen Diffusionswiderstand eingeleitet. Eine Spannung wird zwischen der ersten und zweiten Pumpelektrode angelegt, um eine Sauerstoffkonzentration in dem Messgas innerhalb der Messgas-Kammer einzustellen. Speziell wird die Sauerstoffkonzentration in dem Messgas auf einen Wert eingestellt, der für die Ermittlung einer Konzentration der spezifischen Komponente des Messgases geeignet ist.
Die Sauerstoffkonzentration in dem Messgas, die durch die Sauerstoffpumpzelle eingestellt wird, kann durch die Sauerstoffkontrollzelle kontrolliert werden. Die Sauerstoffpumpzelle kontrolliert die durch die Sauerstoffkontrollzelle ermittelte Sauerstoffkonzentration. Daher stellt die Sauerstoffpumpzelle die Sauerstoffkonzentration in dem Messgas innerhalb der Messgas-Kammer ein.
Eine Spannung wird zwischen der ersten und zweiten Kontrollelektrode angelegt. Eine Spannung wird zwischen der ersten und zweiten Sensorelektrode angelegt.
Die erste Kontrollelektrode, das ist die Elektrode auf der Messgasseite, in der Sauerstoffkontrollzelle hat eine oxidierende Wirkung im Bezug auf die spezifische Komponente des Messgases. Wenn eine Spannung zwischen der ersten und zweiten Kontrollelektrode angelegt wird, reagiert die spezifische Komponente des Messgases daher mit Sauerstoff in dem Messgas an der ersten Kontrollelektrode (die Elektrode auf der Messgasseite). Ein in der Sauerstoffkontrollzelle fließender Sauerstoffionenstrom entspricht einer Sauerstoffkonzentration, die aus der Reaktion der spezifischen Komponente des Messgases mit Sauerstoff resultiert. Der Sauerstoffionenstrom in der Sauerstoffkontrollzelle wird ermittelt.
Die erste Sensorelektrode, das ist die Elektrode auf der Messgasseite, in der Sensorzelle hat eine oxidierende Wirkung im Bezug auf die spezifische Komponente des Messgases, die geringer ist als die oxidierende Wirkung der Elektrode auf der Messgasseite in der Sauerstoffkontrollzelle. Daher ist die Menge der spezifischen Komponente des Messgases, die mit Sauerstoff in dem Messgas an der Elektrode auf der Messgasseite der Sensorzelle reagiert, wenn eine Spannung zwischen der ersten und zweiten Sensorelektrode angelegt wird, kleiner als die an der Elektrode auf der Messgasseite der Sauerstoffkontrollzelle. Dem gemäß ist die Sauerstoffkonzentration in dem Messgas, das an die erste Sensorelektrode angrenzt, höher als die in dem Messgas, das an die erste Kontrollelektrode angrenzt. Ein in der Sensorzelle fließender Sauerstoffionenstrom entspricht der höheren Sauerstoffkonzentration. Der Sauerstoffionenstrom in der Sensorzelle wird ermittelt.
Die Konzentration der spezifischen Komponente des Messgases wird aus einer Beziehung zwischen dem ermittelten Sauerstoffionenstrom in der Sauerstoffkontrollzelle und dem ermittelten Sauerstoffionenstrom in der Sensorzelle ermittelt.
In dem Gassensor der ersten grundlegenden Ausführungsform dieser Erfindung wird die Konzentration der spezifischen Komponente des Messgases aus einer Beziehung zwischen dem ermittelten Sauerstoffionenstrom in der Sauerstoffkontrollzelle und der ermittelten Sauerstoffionenstrom in der Sensorzelle ermittelt. Daher wird die Konzentration der spezifischen Komponente des Messgases aus den zwei gleichartigen Zustandsparametern erhalten, das sind die beiden Sauerstoffionenströme. Die beiden gleichartigen Zustandsparameter zeigen jeweils ähnliche Schwankungsbreiten, wenn die sich Messumgebungen der Konzentration der spezifischen Komponente ändern. Daher hat das Ergebnis der Ermittlung der Konzentration der spezifischen Komponente kaum einen Fehler in dem Fall sich verändernder Messumgebungen. Ein Beispiel der Veränderung der Messumgebungen ist eine Veränderung der Bedingungen der brennbaren Komponenten des Messgases oder eine Veränderung in der Sauerstoffkonzentration in dem Messgas.
Gemäß einer zweiten grundlegenden Ausführungsform dieser Erfindung wird ein Verfahren zum Ermitteln einer Gaskonzentration durchgeführt in einem Gassensor mit: einer Messgas-Kammer; einer Sauerstoffpumpzelle mit einer Pumpelektrode, die in der Messgas-Kammer freiliegt, einer Sauerstoffkontrollzelle mit einer Kontrollelektrode, die in der Messgas-Kammer freiliegt und eine oxidierende Wirkung im Bezug auf eine spezifische Komponente eines Messgases hat, und einer Sensorzelle mit einer Sensorelektrode, die in der Messgas-Kammer freiliegt und eine oxidierende Wirkung im Bezug auf die spezifische Komponente des Messgases hat, wobei die oxidierende Wirkung der Sensorelektrode geringer ist als die der Kontrollelektrode. Das Verfahren umfasst die Schritte des Einleitens des Messgases in die Messgas-Kammer unter einem vorgeschriebenen Diffusionswiderstand, des Anlegens einer Spannung an die Sauerstoffkontrollzelle, des Anlegens einer Spannung an die Sensorzelle, des Ermittelns eines Sauerstoffionenstroms in der Sauerstoffkontrollzelle, des Ermittelns einer Sauerstoffkonzentration in der Messgas-Kammer aus dem ermittelten Sauerstoffionenstrom in der Sauerstoffkontrollzelle, des Anlegens einer Spannung an die Sauerstoffpumpzelle, des Steuerns der an die Sauerstoffpumpzelle angelegten Spannung in Reaktion auf die ermittelte Sauerstoffkonzentration in der Messgas- Kammer, um die Sauerstoffkonzentration in der Messgas- Kammer einzustellen, des Ermittelns eines Sauerstoffionenstroms in der Sensorzelle und des Ermittelns einer Konzentration der spezifischen Komponente des Messgases aus einer Beziehung zwischen dem ermittelten Sauerstoffionenstrom in der Sauerstoffkontrollzelle und dem ermittelten Sauerstoffionenstrom in der Sensorzelle.
Das Verfahren in der zweiten grundlegenden Ausführungsform dieser Erfindung nutzt die hervorragende Leistungsfähigkeit des Gassensors aus ihrer ersten grundlegenden Ausführungsform. Dem gemäß liefert das Verfahren in der zweiten grundlegenden Ausführungsform dieser Erfindung das Ergebnis der Ermittlung der Konzentration der spezifischen Komponente, das kaum einen Fehler hat in dem Fall sich verändernder Messumgebungen der Konzentration der spezifischen Komponente.
Gemäß einer dritten grundlegenden Ausführungsform dieser Erfindung umfasst ein Gassensor: eine Messgas- Kammer; eine erste Vorrichtung zum Einleiten eines Messgases in die Messgas-Kammer unter einem vorgeschriebenen Diffusionswiderstand; eine Sauerstoffpumpzelle zum Einstellen einer Sauerstoffkonzentration in der Messgas-Kammer, dabei hat die Sauerstoffpumpzelle 1) ein erstes Festelektrolytelement, 2) eine erste Pumpelektrode und 3) eine zweite Pumpelektrode, wobei das erste Festelektrolytelement eine Sauerstoffionenleitfähigkeit besitzt, die erste Pumpelektrode in der Messgas-Kammer freiliegt und sich auf einer ersten Oberfläche des ersten Festelektrolytelements erstreckt, die erste Pumpelektrode eine oxidierende Wirkung im Bezug auf eine spezifische Komponente des Messgases hat, sich die zweite Pumpelektrode auf einer zweiten Oberfläche des ersten Festelektrolytelements erstreckt und von der Messgas- Kammer getrennt ist; eine zweite Vorrichtung zum Anlegen einer Spannung zwischen der ersten und zweiten Pumpelektrode, um die Sauerstoffpumpzelle zu aktivieren; eine Sensorzelle mit 1) einem zweiten Festelektrolytelement, 2) einer ersten Sensorelektrode und 3) einer zweiten Sensorelektrode, wobei das zweite Festelektrolytelement eine Sauerstoffionenleitfähigkeit hat, die erste Sensorelektrode in der Messgas-Kammer freiliegt und sich auf einer ersten Oberfläche des zweiten Festelektrolytelements erstreckt, die erste Sensorelektrode eine oxidierende Wirkung im Bezug auf die spezifische Komponente des Messgases hat, die geringer ist als die oxidierende Wirkung der ersten Pumpelektrode, die zweite Sensorelektrode einem Referenzgas ausgesetzt ist und sich auf einer zweiten Oberfläche des zweiten Festelektrolytelements erstreckt; eine dritte Vorrichtung zum Ermitteln eines Sauerstoffionenstroms in der Sauerstoffpumpzelle, wenn die zweite Vorrichtung die Spannung zwischen der ersten und zweiten Pumpelektrode anlegt; eine vierte Vorrichtung zum Anlegen einer Spannung zwischen der ersten und zweiten Sensorelektrode; eine fünfte Vorrichtung zum Ermitteln eines Sauerstoffionenstroms in der Sensorzelle, wenn die vierte Vorrichtung die Spannung zwischen der ersten und zweiten Sensorelektrode anlegt; und eine sechste Vorrichtung zum Ermitteln einer Konzentration der spezifischen Komponente des Messgases aus einer Beziehung zwischen den durch die dritte und fünfte Vorrichtung ermittelten Sauerstoffionenströmen.
Der Gassensor in der dritten grundlegenden Ausführungsform dieser Erfindung schließt die Sauerstoffpumpzelle und die Sensorzelle ein. Bei der Sauerstoffpumpzelle liegt die erste Pumpelektrode in der Messgas-Kammer frei. Bei der Sensorzelle liegt die erste Sensorelektrode in der Messgas-Kammer frei. Die erste Pumpelektrode in der Sauerstoffpumpzelle und die erste Sensorzelle in der Sensorzelle sind in ihrer oxidierenden Wirkung im Bezug auf die spezifische Komponente des Messgases verschieden. Ein Spannung wird zwischen der ersten und zweiten Pumpelektrode angelegt. Ein Spannung wird zwischen der ersten und zweiten Sensorelektrode angelegt. Ein Sauerstoffionenstrom in der Sauerstoffpumpzelle wird ermittelt. Ein Sauerstoffionenstrom in der Sensorzelle wird ermittelt. Eine Konzentration der spezifischen Komponente des Messgases wird aus einer Beziehung zwischen dem ermittelten Sauerstoffionenstrom in der Sauerstoffpumpzelle und dem ermittelten Sauerstoffionenstrom in der Sensorzelle berechnet.
Der Gassensor der dritten grundlegenden Ausführungsform dieser Erfindung arbeitet wie folgt. Ein Messgas wird in die Messgaskammer unter einem vorgeschriebenen Diffusionswiderstand eingeleitet. Eine Spannung wird zwischen der ersten und zweiten Pumpelektrode angelegt, um eine Sauerstoffkonzentration in dem Messgas innerhalb der Messgas-Kammer einzustellen, während die Sauerstoffkonzentration kontrolliert wird. Speziell wird die Sauerstoffkonzentration in dem Messgas auf einen Wert eingestellt, der für die Ermittlung einer Konzentration der spezifischen Komponente des Messgases geeignet ist.
Eine Spannung wird zwischen der ersten und zweiten Pumpelektrode angelegt. Eine Spannung wird zwischen der ersten und zweiten Sensorelektrode angelegt.
Die erste Pumpelektrode, das ist die Elektrode auf der Messgasseite, in der Sauerstoffpumpzelle hat eine oxidierende Wirkung im Bezug auf die spezifische Komponente des Messgases. Wenn eine Spannung zwischen der ersten und zweiten Pumpelektrode angelegt wird, reagiert die spezifische Komponente des Messgases daher mit Sauerstoff in dem Messgas an der ersten Pumpelektrode (der Elektrode auf der Messgasseite). Ein in der Sauerstoffpumpzelle fließender Sauerstoffionenstrom entspricht einer Sauerstoffkonzentration, die aus der Reaktion der spezifischen Komponente des Messgases mit Sauerstoff resultiert. Der Sauerstoffionenstrom in der Sauerstoffpumpzelle wird ermittelt.
Die erste Sensorelektrode, das ist die Elektrode auf der Messgasseite, in der Sensorzelle hat eine oxidierende Wirkung im Bezug auf die spezifische Komponente des Messgases, die geringer ist als die oxidierende Wirkung der Elektrode auf der Messgasseite in der Sauerstoffpumpzelle. Daher ist die Menge der spezifischen Komponente des Messgases, die mit Sauerstoff in dem Messgas an der Elektrode auf der Messgasseite der Sensorzelle reagiert, wenn eine Spannung zwischen der ersten und zweiten Sensorelektrode angelegt wird, kleiner als die an der Elektrode auf der Messgasseite der Sauerstoffpumpzelle. Dem gemäß ist die Sauerstoffkonzentration in dem Messgas, das an die erste Sensorelektrode angrenzt, höher als die in dem Messgas, das an die erste Pumpelektrode angrenzt. Ein in der Sensorzelle fließender Sauerstoffionenstrom entspricht der höheren Sauerstoffkonzentration. Der Sauerstoffionenstrom in der Sensorzelle wird ermittelt.
Die Konzentration der spezifischen Komponente des Messgases wird aus einer Beziehung zwischen dem ermittelten Sauerstoffionenstrom in der Sauerstoffpumpzelle und dem ermittelten Sauerstoffionenstrom in der Sensorzelle ermittelt.
In dem Gassensor der dritten grundlegenden Ausführungsform dieser Erfindung wird die Konzentration der spezifischen Komponente des Messgases aus einer Beziehung zwischen dem ermittelten Sauerstoffionenstrom in der Sauerstoffpumpzelle und dem ermittelten Sauerstoffionenstrom in der Sensorzelle ermittelt. Daher wird die Konzentration der spezifischen Komponente des Messgases aus den zwei gleichartigen Zustandsparametern erhalten, das sind die beiden Sauerstoffionenströme. Die beiden gleichartigen Zustandsparameter zeigen jeweils ähnliche Schwankungsbreiten, wenn sich die Messumgebungen der Konzentration der spezifischen Komponente ändern. Daher hat das Ergebnis der Ermittlung der Konzentration der spezifischen Komponente kaum einen Fehler in dem Fall sich ändernder Messumgebungen. Ein Beispiel der Veränderung der Messumgebungen ist eine Veränderung in den Bedingungen der brennbaren Komponenten des Messgases oder eine Veränderung in der Sauerstoffkonzentration in dem Messgas.
Gemäß einer vierten grundlegenden Ausführungsform dieser Erfindung wird ein Verfahren zum Ermitteln einer Gaskonzentration durchgeführt in einem Gassensor mit: einer Messgas-Kammer; einer Sauerstoffpumpzelle mit einer Pumpelektrode, die in der Messgas-Kammer freiliegt und eine oxidierenden Wirkung in Bezug auf eine spezifische Komponente eines Messgases hat, und einer Sensorzelle mit einer Sensorelektrode, die in der Messgas-Kammer freiliegt eine oxidierende Wirkung im Bezug auf die spezifische Komponente des Messgases hat, wobei die oxidierende Wirkung der Sensorzelle geringer ist als die der Pumpelektrode. Das Verfahren umfasst die Schritte des Einleitens des Messgases in die Messgas-Kammer unter einem vorgeschriebenen Diffusionswiderstand, des Anlegens einer Spannung an die Sauerstoffpumpzelle, des Anlegens einer Spannung an die Sensorpumpzelle, des Ermittelns eines Sauerstoffionenstroms in der Sauerstoffpumpzelle, des Ermittelns eines Sauerstoffionenstroms in der Sensorzelle und des Ermittelns einer Konzentration der spezifischen Komponente des Messgases aus einer Beziehung zwischen dem ermittelten Sauerstoffionenstrom in der Sauerstoffpumpzelle und dem ermittelten Sauerstoffionenstrom in der Sensorzelle.
Das Verfahren in der vierten grundlegenden Ausführungsform dieser Erfindung nutzt die hervorragenden Leistungsfähigkeiten des Gassensors aus ihrer dritten grundlegenden Ausführungsform. Dem gemäß liefert das Verfahren in der vierten grundlegenden Ausführungsform dieser Erfindung das Ergebnis der Ermittlung der Konzentration der spezifischen Komponente, das kaum einen Fehler hat in dem Fall sich ändernder Messumgebungen der Konzentration der spezifischen Komponente.
In der ersten grundlegenden Ausführungsform dieser Erfindung kann die Konzentration der spezifischen Komponente des Messgases aus einem Unterschied zwischen dem Sauerstoffionenstrom in der Sensorzelle und dem Sauerstoffionenstrom in der Sauerstoffkontrollzelle ermittelt werden. In diesem Fall ist es einfach, die Konzentration der spezifischen Komponente in dem Messgas zu ermitteln.
Vorzugsweise umfasst der Gassensor in der ersten grundlegenden Ausführungsform dieser Erfindung eine achte Vorrichtung zum Regeln der Spannung zwischen der ersten und zweiten Pumpelektrode in Reaktion auf den durch die vierte Vorrichtung ermittelten Sauerstoffionenstrom, so dass der durch die vierte Vorrichtung ermittelte Sauerstoffionenstrom bei einem gewünschten Wert gehalten werden wird. In diesem Fall wird die an die Sauerstoffpumpzelle angelegte Spannung über Rückkopplung geregelt, um den Sauerstoffionenstrom bei dem gewünschten Wert zu halten. Es ist einfach, die Sauerstoffkonzentration in der Messgas-Kammer einzustellen.
In der ersten grundlegenden Ausführungsform dieser Erfindung kann die spezifische Komponente des Messgases Kohlenwasserstoff umfassen. In diesem Fall kann der Gassensor verwendet werden, um eine Kohlenwasserstoff- Gaskonzentration in dem Messgas zu ermitteln.
In der ersten grundlegenden Ausführungsform dieser Erfindung kann die erste Kontrollelektrode der Sauerstoffkontrollzelle, das ist die Elektrode auf der Messgasseite, Kohlenwasserstoff oxidieren.
In der ersten grundlegenden Ausführungsform dieser Erfindung kann die erste Kontrollelektrode der Sauerstoffkontrollzelle, das ist die Elektrode auf der Messgasseite, eine größere oxidierende Wirkung im Bezug auf Kohlenwasserstoff haben als die erste Sensorelektrode (die Elektrode auf der Messgasseite) der Sensorzelle.
In der ersten grundlegenden Ausführungsform dieser Erfindung kann die erste Kontrollelektrode (die Elektrode auf der Messgasseite) der Sauerstoffkontrollzelle eine größere oxidierende Wirkung im Bezug auf von Methan verschiedenem Kohlenwasserstoff haben als die erste Sensorelektrode (die Elektrode auf der Messgasseite) der Sensorzelle. In diesem Fall ist die Menge an von Methan verschiedenem Kohlenwasserstoff in dem Messgas, der mit Sauerstoff darin an der Elektrode auf der Messgasseite der Sauerstoffkontrollzelle reagiert, größer als die an der Elektrode auf der Messgasseite der Sensorzelle. Daher kann der Gassensor selektiv die Konzentration an von Methan verschiedenem Kohlenwasserstoff in dem Messgas ermitteln.
Der Gassensor in der ersten grundlegenden Ausführungsform dieser Erfindung kann ferner eine achte Vorrichtung zum Steuern der Sauerstoffpumpzelle umfassen, um eine Sauerstoffkonzentration, die aus der Reaktion zwischen Kohlenwasserstoff und Sauerstoff an der ersten Kontrollzelle resultiert, auf einem konstanten Wert zu halten. Es ist bevorzugt, das die erste Kontrollelektrode eine größere oxidierende Wirkung im Bezug auf Kohlenwasserstoff hat als die erste Sensorelektrode, und die siebte Vorrichtung umfasst Vorrichtungen zum Ermitteln der Kohlenwasserstoffkonzentration in dem Messgas aus einem Unterschied zwischen den durch die vierte und sechste Vorrichtung ermittelten Sauerstoffionenströmen. In diesem Fall ist es möglich, den von der Kohlenwasserstoffkonzentration in dem Messgas abhängigen Unterschied in der Sauerstoffkonzentration zwischen dem Messgas, das an die erste Kontrollelektrode angrenzt, und dem Messgas, das an die erste Sensorelektrode angrenzt, genau zu ermitteln. Daher kann eine hohe Genauigkeit der Ermittlung der Kohlenwasserstoffkonzentration gewährleistet werden.
In der ersten grundlegenden Ausführungsform dieser Erfindung kann die Elektrode der Sensorzelle auf der Messgasseite eine geringere oxidierende Wirkung im Bezug auf Kohlenwasserstoff einschließlich Methan haben als die Elektrode auf der Messgasseite der Sauerstoffkontrollzelle. In diesem Fall ist die Menge an Kohlenwasserstoff einschließlich Methan in dem Messgas, das mit Sauerstoff darin an der Elektrode auf der Messgasseite der Sauerstoffkontrollzelle größer als die an der Elektrode auf der Messgasseite der Sensorzelle. Daher kann der Gassensor die Konzentration an Kohlenwasserstoff einschließlich Methan in dem Messgas ermitteln.
In der ersten grundlegenden Ausführungsform dieser Erfindung kann die Elektrode auf der Messgasseite der Sensorzelle eine geringere oxidierende Wirkung im Bezug auf von Methan verschiedenem Kohlenwasserstoff haben als die Elektrode auf der Messgasseite der Sauerstoffkontrollzelle. In diesem Fall ist die Menge an von Methan verschiedenem Kohlenwasserstoff in dem Messgas, der mit Sauerstoff darin an der Elektrode auf der Messgasseite der Sauerstoffkontrollzelle größer als die an der Elektrode auf der Messgasseite der Sensorzelle. Daher kann der Gassensor selektiv die Konzentration an von Methan verschiedenem Kohlenwasserstoff in dem Messgas ermitteln.
Gemäß der ersten grundlegenden Ausführungsform dieser Erfindung ist es bevorzugt, dass die Elektrode auf der Messgasseite der Sauerstoffkontrollzelle und die Elektrode auf der Messgasseite der Sensorzelle einen unterschiedlichen Sauerstoffabsorptionsgrad haben, um so in der oxidierenden Wirkung im Bezug auf Kohlenwasserstoff unterschiedlich zu sein.
Um eine schwache Sauerstoffabsorption bereitzustellen, wird im allgemeinen eine Elektrode auf der Messgasseite aus einem Material gemacht, das ein Edelmetall so wie Pt, Pd oder Rh enthält, zu dem Au, Ag oder Cu zugegeben wird. Um eine starke Sauerstoffadsorption bereitzustellen, ist eine Elektrode auf der Messgasseite aus einem Material gemacht, das ein Edelmetall so wie Pt, Pd oder Rh enthält, zu dem ein leicht Oxid bildendes Metall zugegeben wird. Ein Beispiel des leicht Oxid bildenden Metalls ist Ti, Ta oder Nb. Dem gemäß ist es bevorzugt, dass ein Metall mit einer größeren Sauerstoff-Absorptionswärme als Edelmetall zu Material für eine Elektrode auf der Messgasseite zugegeben wird. Speziell ist hinsichtlich des zugegebenen Metalls die Sauerstoff-Absorptionswärme vorzugsweise gleich oder größer als etwa 80 kcal/mol.
In der ersten grundlegenden Ausführungsform dieser Erfindung ist es bevorzugt, dass sowohl die Elektrode auf der Messgasseite der Sauerstoffkontrollzelle als auch die Elektrode auf der Messgasseite der Sensorzelle, wenigstens ein Element aus Pt, Pd, Rh und Au als eine Haupt-Metallkomponente enthält und zudem wenigstens ein Element aus Ti, Ta, Nb, Al, W, Mo, Cr, Mn, Fe, Co, Ni und Zr enthält. In diesem Fall enthält die Elektrode auf der Messgasseite der Sauerstoffkontrollzelle wenigstens ein Element aus Pt, Pd, Rh und Au als eine Haupt- Metallkomponente und hat eine oxidierende Wirkung im Bezug auf Kohlenwasserstoff. Wenn die Elektrode auf der Messgasseite der Sensorzelle wenigstens ein Element aus Pt, Pd, Rh und Au als eine Haupt-Metallkomponente enthält und zudem wenigstens ein Element aus Ti, Ta, Nb, Al, W, Mo, Cr, Mn, Fe, Co, Ni und Zr enthält, hat die Elektrode auf der Messgasseite der Sensorzelle eine geringere oxidierende Wirkung im Bezug auf Kohlenwasserstoff als die Elektrode auf der Messgasseite der Sauerstoffkontrollzelle.
Gemäß der ersten grundlegenden Ausführungsform dieser Erfindung ist es bevorzugt, dass die Elektrode auf der Messgasseite der Sauerstoffkontrollzelle ein Elektrodenmaterial umfasst, das 99-80 Gew.-% Pt und 1-20 Gew.-% Au enthält, und dass die Elektrode auf der Messgasseite der Sensorzelle entweder ein Elektrodenmaterial umfasst, das 99-80 Gew.-% Pt und 1-20 Gew.-% TiO₂ enthält, oder ein Elektrodenmaterial umfasst, das 99-80 Gew.-% Pd und 1-20 Gew.-% TiO₂ enthält. Dadurch ist es möglich, selektiv die Konzentration an von Methan verschiedenem Kohlenwasserstoff zu ermitteln.
Wenn das Material für die Elektrode auf der Messgasseite der Sauerstoffkontrollzelle weniger als 1 Gew.-% Au enthält, kann die oxidierende Wirkung im Bezug auf Methan übermäßig hoch sein. Wenn das Material für die Elektrode auf der Messgasseite der Sauerstoffkontrollzelle mehr als 20 Gew.-% Au enthält, ist der Schmelzpunkt überaus niedrig. Daher kann es schwierig sein, ein Festelektrolytelement und das Material für die Elektrode auf der Messgasseite der Sauerstoffkontrollzelle gleichzeitig aufzuheizen.
Wenn das Material für die Elektrode auf der Messgasseite der Sensorzelle weniger als 1 Gew.-% TiO₂ enthält, kann die oxidierende Wirkung im Bezug auf Kohlenwasserstoff übermäßig hoch sein. Wenn das Material für die Elektrode auf der Messgasseite der Sensorzelle mehr als 20 Gew.-% TiO₂ enthält, kann der elektrische Widerstand übermäßig groß sein.
Insbesondere bevorzugt enthält das Material für die Elektrode auf der Messgasseite der Sauerstoffkontrollzelle 5 Gew.-% oder mehr Au.
Insbesondere bevorzugt enthält das Material für die Elektrode auf der Messgasseite der Sensorzelle 10 Gew.-% oder mehr TiO₂.
In der zweiten grundlegenden Ausführungsform dieser Erfindung kann die Konzentration der spezifischen Komponente des Messgases aus einem Unterschied zwischen dem Sauerstoffionenstrom in der Sauerstoffkontrollzelle und dem Sauerstoffionenstrom in der Sensorzelle ermittelt werden. In diesem Fall entspricht der Unterschied zwischen den ermittelten Saustoffionenströmen der Konzentration der spezifischen Komponente und es ist einfach, die Konzentration der spezifischen Komponente in dem Messgas zu ermitteln.
Gemäß der zweiten grundlegenden Ausführungsform dieser Erfindung kann die an die Sauerstoffpumpzelle angelegte Spannung in Reaktion auf den ermittelten Sauerstoffionenstrom in der Sauerstoffkontrollzelle geregelt werden, so dass der ermittelte Sauerstoffionenstrom in der Sauerstoffkontrollzelle bei einem gewünschten Wert gehalten werden kann. In diesem Fall wird die an die Sauerstoffpumpzelle angelegte Spannung über Rückkopplung geregelt, um den Sauerstoffionenstrom bei dem gewünschten Wert zu halten. Es ist einfach, die Sauerstoffkonzentration in der Messgas-Kammer einzustellen.
In der zweiten grundlegenden Ausführungsform dieser Erfindung kann die spezifische Komponente des Messgases Kohlenwasserstoff umfassen. In diesem Fall ist es möglich, eine Kohlenwasserstoffkonzentration in dem Messgas zu ermitteln. Die Elektrode auf der Messgasseite der Sauerstoffkontrollzelle hat eine oxidierende Wirkung im Bezug auf Kohlenwasserstoff. Die Elektrode auf der Messgasseite der Sensorzelle hat eine geringere oxidierende Wirkung im Bezug auf Kohlenwasserstoff als die Elektrode auf der Messgasseite der Sauerstoffkontrollzelle.
Gemäß der ersten und zweiten grundlegenden Ausführungsform dieser Erfindung ist, wenn die an die Sauerstoffpumpzelle angelegte Spannung gesteuert wird, um den Sauerstoffionenstrom in der Sauerstoffkontrollzelle bei einem konstanten Wert zu halten, der Sauerstoffionenstrom in der Sensorzelle äquivalent zu dem Unterschied zwischen dem Sauerstoffionenstrom in der Sensorzelle und dem Sauerstoffionenstrom in der Sauerstoffkontrollzelle. Wenn die durch die Sauerstoffkontrollzelle gemessene Sauerstoffkonzentration konstant geregelt wird, kann die Konzentration der spezifischen Komponente des Messgases daher durch Messen nur des Sauerstoffionenstroms in der Sensorzelle genau ermittelt werden.
In der dritten grundlegenden Ausführungsform dieser Erfindung kann die Sauerstoffkonzentration in der Messgas-Kammer auf einen konstanten Wert eingeregelt werden in Reaktion auf eine Beziehung zwischen der zwischen der ersten und zweiten Pumpelektrode angelegten Spannung und dem durch die dritte Vorrichtung ermittelten Sauerstoffionenstrom. Des weiteren kann die sechste Vorrichtung eine Vorrichtung umfassen zum Ermitteln der Konzentration der spezifischen Komponente in dem Messgas aus dem durch die fünfte Vorrichtung ermittelten Sauerstoffionenstrom. In diesem Fall entspricht der Sauerstoffionenstrom in der Sensorzelle der Konzentration der spezifischen Komponente, und es ist einfach, die Konzentration der spezifischen Komponente zu ermitteln.
In der dritten grundlegenden Ausführungsform dieser Erfindung kann die spezifische Komponente des Messgases Kohlenwasserstoff enthalten. In diesem Fall kann der Gassensor dazu verwendet werden, eine Kohlenwasserstoffkonzentration in dem Messgas zu ermitteln.
Gemäß der dritten grundlegenden Ausführungsform dieser Erfindung kann die erste Pumpzelle (die Elektrode auf der Messgasseite) der Sauerstoffpumpzelle eine größere oxidierende Wirkung im Bezug auf Kohlenwasserstoff haben als die erste Sensorelektrode (die Elektrode auf der Messgasseite) der Sensorzelle.
In der dritten grundlegenden Ausführungsform dieser Erfindung ist es bevorzugt, dass die erste Pumpelektrode (die Elektrode auf der Messgasseite) der Sauerstoffpumpzelle eine größere oxidierende Wirkung im Bezug auf von Methan verschiedenem Kohlenwasserstoff hat als die erste Sensorelektrode (die Elektrode auf der Messgasseite) der Sensorzelle. In diesem Fall ist die Menge an von Methan verschiedenem Kohlenwasserstoff in dem Messgas, das mit dem Sauerstoff darin an der Elektrode auf der Messgasseite der Sauerstoffpumpzelle reagiert, größer als die an der Elektrode auf der Messgasseite der Sensorzelle. Daher kann der Gassensor selektiv die Konzentration an von Methan verschiedenem Kohlenwasserstoff in dem Messgas ermitteln.
Gemäß der vierten grundlegenden Ausführungsform dieser Erfindung kann eine Sauerstoffkonzentration in der Messgas-Kammer auf einen konstanten Wert eingeregelt werden in Reaktion auf eine Beziehung zwischen der zwischen der an die Sauerstoffpumpzelle angelegten Spannung und dem ermittelten Sauerstoffionenstrom in der Sauerstoffpumpzelle. Des weiteren kann die Konzentration der spezifischen Komponente des Messgases aus dem ermittelten Sauerstoffionenstrom in der Sensorzelle ermittelt werden. In diesem Fall entspricht der Sauerstoffionenstrom in der Sensorzelle der Konzentration der spezifischen Komponente, und es ist einfach, die Konzentration der spezifischen Komponente zu ermitteln.
In der vierten grundlegenden Ausführungsform dieser Erfindung kann die spezifische Komponente des Messgases Kohlenwasserstoff umfassen. In diesem Fall ist es möglich, eine Kohlenwasserstoffkonzentration in dem Messgas zu ermitteln.
Jeder der Gassensoren in der ersten und dritten grundlegenden Ausführungsform dieser Erfindung kann als ein Kohlenwasserstoff-Gassensor verwendet werden, der in einer Abgasanlage eines Kraftfahrzeugmotors bereitgestellt wird. Des weiteren kann jeder der Gassensoren in der ersten und dritten grundlegenden Ausführungsfarm dieser Erfindung für eine Steuerung des Luft/Treibstoff-Verhältnisses eines Motors, für einen Katalysatorregler und für die Ermittlung der Katalysatorverschlechterung verwendet werden.
Jedes der Verfahren in der zweiten und vierten grundlegenden Ausführungsform dieser Erfindung kann verwendet werden, um eine Kohlenwasserstoffkonzentration in einem von einem Kraftfahrzeugmotor produzierten Abgas zu ermitteln. Des weiteren kann jedes der Verfahren in der zweiten und vierten grundlegenden Ausführungsform dieser Erfindung für eine Steuerung des Luft/Treibstoff- Verhältnisses eines Motors, für einen Katalysatorregler und für die Ermittlung der Katalysatorverschlechterung verwendet werden.
Fig. 2 zeigt einen Gassensor 1 gemäß einer ersten speziellen Ausführungsform dieser Erfindung. Der Gassensor 1 ist ausgelegt, um die Konzentration an Kohlenwasserstoff (KW) in einem Messgas, wie etwa einem von einem Kraftfahrzeugmotor produzierten Abgas, zu messen. Die ermittelte KW-Konzentration kann für die Steuerung der Verbrennung eines Luft/Treibstoff-Gemisches in dem Kraftfahrzeugmotor verwendet werden.
Wie in Fig. 2 gezeigt schließt der Gassensor 1 eine Messgas-Kammer 7 ein, in die ein Messgas (ein Abgas) eingeleitet wird. Der Gassensor 1 schließt ferner eine Sauerstoffpumpzelle 2, eine Sauerstoffkontrollzelle 3 und eine Sensorzelle 4 ein.
Die Sauerstoffpumpzelle 2 hat ein Festelektrolytelement 5 und ein Paar Elektroden 21 und 22. Die Elektroden 21 und 22 werden auf der unteren beziehungsweise oberen Oberfläche des Festelektrolytelements 5 bereitgestellt. Die Elektroden 21 und 22 sind einander entgegengesetzt. Die Elektrode 21 liegt in der Messgas-Kammer 7 frei. Die Elektrode 22 erstreckt sich auf einer äußeren Oberfläche des Gassensors 1, der von dem Messgas umgeben ist.
Die Sauerstoffkontrollzelle 3 hat ein Festelektrolytelement 6 und ein Paar Elektroden 31 und 32. Die Elektroden 31 und 32 werden auf der oberen beziehungsweise unteren Oberfläche des Festelektrolytelements 6 bereitgestellt. Die Elektroden 31 und 32 sind einander entgegengesetzt. Die Elektrode 31 liegt in der Messgas-Kammer 7 frei. Die Elektrode 32 liegt in einer Referenzgas-Kammer 100 frei, in die als ein Referenzgas eine Atmosphäre mit einer vorbestimmten konstanten Sauerstoffkonzentration eingeleitet wird.
Die Sensorzelle 4 hat das Festelektrolytelement 6 und ein Paar Elektroden 41 und 42. Die Elektroden 41 und 42 werden auf der oberen beziehungsweise unteren Oberfläche des Festelektrolytelements 6 bereitgestellt. Die Elektroden 41 und 42 sind einander entgegengesetzt.
Die Elektrode 41 liegt in der Messgas-Kammer 7 frei. Die Elektrode 42 liegt in der Referenzgas-Kammer 100 frei. Die Elektrode 31 auf der Messgasseite in der Sauerstoffkontrollzelle 3 ist gegenüber Kohlenwasserstoff aktiv. Insbesondere hat die Elektrode 31 auf der Messgasseite eine ausreichende oxidierende Wirkung bezüglich Kohlenwasserstoff. Die kohlenwasserstoffoxidierende Wirkung der Elektrode 41 auf der Messgasseite in der Sensorzelle 4 ist geringer als die der Elektrode 31 auf der Messgasseite in der Sauerstoffkontrollzelle 3. Die Elektrode 41 auf der Messgasseite in der Sensorzelle 4 kann gegenüber Kohlenwasserstoff inaktiv sein.
Eine Spannung wird zwischen die Elektroden 31 und 32 der Sauerstoffkontrollzelle 3 angelegt. Die angelegte Spannung wird so gewählt, dass die Sauerstoffkontrollzelle 3 eine Grenzstromcharakteristik zeigt, und dadurch ein zwischen den Elektroden 31 und 32 fließender, durch einen Sauerstoffionenübergang verursachter Strom von der Sauerstoffkonzentration in dem an die Elektrode 31 angrenzenden Gas abhängt. Anders gesagt wird die Sauerstoffkontrollzelle 3 als eine Grenzstrom-Zelle betrieben.
Eine Spannung wird zwischen den Elektroden 41 und 42 der Sensorzelle 4 angelegt. Die angelegte Spannung ist so ausgewählt, dass die Sensorzelle 4 eine Grenzstromcharakteristik zeigt, und dadurch ein zwischen den Elektroden 41 und 42 fließender, durch einen Sauerstoffionenübergang verursachter Strom von der Sauerstoffkonzentration in einem an die Elektrode 41 angrenzenden Gas abhängt. Anders gesagt wird die Sensorzelle 4 als eine Grenzstrom-Zelle betrieben.
Während des Betriebs des Gassensors 1 wird das Messgas in die Messgas-Kammer 7 unter einem vorbestimmten Diffusionswiderstand eingeleitet. Ein in der Sauerstoffkontrollzelle 3 fließender Sauerstoffionenstrom wird ermittelt, während eine Spannung zwischen deren Elektroden 31 und 32 angelegt ist. Zudem wird ein in der Sensorzelle 4 fließender Sauerstoffionenstrom ermittelt, während eine Spannung zwischen deren Elektroden 41 und 42 angelegt ist. Normalerweise dient die Sauerstoffpumpzelle 2 dazu, Sauerstoff aus dem Messgas in der Messgas-Kammer 7 zur Außenseite des Gassensors 1 heraus zu pumpen. Die Sauerstoffpumpzelle 2 kann Sauerstoff von der Außenseite des Gassensors 1 in das Messgas in der Messgas-Kammer 7 überführen. Die Sauerstoffpumpzelle 2 wird durch eine zwischen den Elektroden 21 und 22 angelegte Spannung angetrieben. Die an die Sauerstoffpumpzelle 2 angelegte Spannung wird in Reaktion auf den ermittelten Sauerstoffionenstrom in der Sauerstoffkontrollzelle 3 so geregelt, dass die Sauerstoffkonzentration in dem Messgas innerhalb der Messgas-Kammer 7 eingestellt wird. Insbesondere regelt ein bekannter Schaltkreis die Sauerstoffpumpzellenspannung in Reaktion auf den ermittelten Sauerstoffionenstrom in der Sauerstoffkontrollzelle 3 auf der Basis einer Rückkopplungskontrolle. Die Rückkopplungskontrolle der Sauerstoffpumpzellenspannung ist ausgelegt, um den ermittelten Sauerstoffionenstrom in der Sauerstoffkontrollzelle auf einen gewünschten Wert zu regulieren. Die Sauerstoffkonzentration in dem Messgas innerhalb der Messgas-Kammer 7 wird gemäß der Rückkopplungskontrolle der Sauerstoffpumpzellenspannung eingestellt. Eine Konzentration der spezifischen Komponente (eine Kohlenwasserstoffkonzentration) in dem Messgas wird ermittelt oder auf Grundlage der Beziehung zwischen dem ermittelten Sauerstoffionenstrom in der Sauerstoffkontrollzelle 3 und dem ermittelten Sauerstoffionenstrom in der Sensorzelle 4 abgeschätzt.
Wie in den Fig. 2 und 3 gezeigt schließt der Gassensor 1 eine Laminierung aus einem blattartigen Festelektrolytelement 5, einem blattartigen Abstandshalter 8, einem blattartigen Festelektrolytelement 6, einem blattartigen Abstandhalter 9 und einem keramischen Heizer 10 ein, die in dieser Reihenfolge angeordnet sind. Das Festelektrolytelement 5 wird zum Bilden der Sauerstoffpumpzelle 2 verwendet. Das Festelektrolytelement 6 wird zum Bilden der Sauerstoffkontrollzelle 3 und der Sensorzelle 4 verwendet. Der Abstandshalter 8 hat eine Öffnung, um die Messgas-Kammer 7 zu bilden. Der Abstandshalter 9 hat eine Öffnung, um die Referenzgas-Kammer 100 zu bilden. Der keramische Heizer dient dazu, die Sauerstoffpumpzelle 2, die Sauerstoffkontrollzelle 3 und die Sensorzelle 4 zu erhitzen.
Die Festelektrolytelemente 5 und 6 sind aus einem Elektrolyt mit Sauerstoffionenleitfähigkeit gemacht. Speziell sind die Festelektrolytelemente 5 und 6 zum Beispiel aus Zirkoniumoxid oder Ceroxid gemacht. Die Abstandshalter 8 und 9 sind aus isolierendem Material wie etwa Aluminiumoxid gemacht.
Ein äußerer Raum 110, der einen Teil des Gassensors 1 umgibt, wird mit dem Messgas gefüllt. Das Messgas wird von dem äußeren Raum 110 in die Messgas-Kammer 7 eingeleitet. Die Messgas-Kammer 7 ist in eine erste Messgas-Kammer 71 und eine zweite Messgas-Kammer 72 unterteilt. Die erste Messgas-Kammer 71 und die zweite Messgas-Kammer 72 erstrecken sich bezogen auf einen Messgas-Strom an einer stromaufwärtigen Seite beziehungsweise einer stromabwärtigen Seite. Die erste Messgas-Kammer 71 und die zweite Messgas-Kammer 72 stehen miteinander über einen engen Durchlass oder einen beschränkten Durchlass 73 in Verbindung. Der enge Durchlass 73 steuert die Strömungsrate des Messgases von der ersten Messgas-Kammer 71 zu der zweiten Messgas- Kammer 72. Somit stellt der enge Durchlass 73 einen vorbestimmten Diffusionswiderstand gegen den Messgasstrom bereit. Die erste Messgas-Kammer 71, die zweite Messgas- Kammer 72 und der enge Durchlass 73 werden durch Löcher 81, 82 beziehungsweise 83 in dem Abstandshalter 8 gebildet.
Das Festelektrolytelement 5 hat ein kleines Loch 11, durch das das Messgas von dem äußeren Raum 110 in die erste Messgas-Kammer 71 eingeleitet wird. Eine poröse Schutzschicht 12 wird auf einem Teil der oberen Oberfläche des Festelektrolytelements 5 bereitgestellt. Ein Einlass des kleinen Lochs 11 wird durch die poröse Schutzschicht 12 bedeckt. Zudem wird die Elektrode 22 in der Sauerstoffpumpzelle 2 von der porösen Schutzschicht 12 bedeckt. Das kleine Loch 11 und die poröse Schutzschicht 12 steuern die Strömungsrate des Messgases von dem äußeren Raum 110 zu der ersten Messgas-Kammer 71. Somit gewährleisten das kleine Loch 11 und die poröse Schutzschicht 12 einen vorbestimmten Diffusionswiderstand gegen den Messgas-Strom. Die aktive Querschnittsfläche des kleinen Lochs 11 wird so gewählt, dass die Diffusionsrate des in die erste Messgas-Kammer 71 eingeleiteten Messgases gleich einem vorgeschriebenen Wert ist. Die poröse Schutzschicht 12 bewahrt das kleine Loch 11 davor, mit Fremdsubstanzen verstopft zu werden. Des weiteren bewahrt die poröse Schutzschicht 12 die Elektroden 21 und 22 in der Sauerstoffpumpzelle 2, die Elektrode 31 auf der Messgasseite in der Sauerstoffkontrollzelle 3 und die Elektrode 41 auf der Messgasseite in der Sensorzelle 4 davor, verunreinigt oder vergiftet zu werden. Die poröse Schutzschicht 12 ist zum Beispiel aus porösem Aluminiumoxid gemacht.
Es sollte erwähnt werden, dass das kleine Loch 11 durch ein poröses Element, das zum Beispiel aus porösem Aluminium gemacht ist, ersetzt werden kann, welches das Messgas in die Messgas-Kammer 7 einleitet, während es diesem einen vorbestimmten Diffusionswiderstand entgegensetzt.
Eine Atmosphäre mit einer vorbestimmten konstanten Sauerstoffkonzentration wird als Referenzgas in die Referenzgas-Kammer 100 eingeleitet. Das Referenzgas wird als eine Referenz zur Ermittlung der Kohlenwasserstoffkonzentration in dem Messgas verwendet. Die Referenzgas-Kammer 100 steht über einen Durchlass 101 mit einem äußeren Raum 120, der einen Teil des Gassensors 1 umschließt und mit der Atmosphäre angefüllt ist, in Verbindung. Die Atmosphäre gelangt von dem äußeren Raum 120 über den Durchlass 101 in die Referenzgas-Kammer 100. Die Referenzgas-Kammer 100 und der Durchlass 101 werden durch ein Loch 91 beziehungsweise eine Rinne 92 in dem Abstandshalter 9 gebildet.
Wie vorstehend erwähnt, ist die Sauerstoffpumpzelle 2 aus dem Festelektrolytelement 5 und einem Paar Elektroden 21 und 22 zusammengesetzt. Das Festelektrolytelement 5 ist zwischen den Elektroden 21 und 22 sandwichartig angeordnet. Die Elektroden 21 und 22 sind einander entgegengesetzt. Die Elektrode 21 erstreckt sich auf der unteren Oberfläche der Festelektrolytschicht 5, die an den Abstandshalter 8 angrenzt. Die Elektrode 21 liegt in der ersten Messgas-Kammer 71 frei. Die Elektrode 22 erstreckt sich auf der oberen Oberfläche des Festelektrolytelements 5, die an den äußeren Raum 110 angrenzt. Die Elektrode 22 ist über die poröse Schutzschicht 12 dem Messgas in dem äußeren Raum 110 ausgesetzt.
Wie vorstehend erwähnt, ist die Sauerstoffkontrollzelle 3 aus dem Festelektrolytelement 6 und einem Elektrodenpaar, der Elektrode 31 auf der Messgasseite und der Elektrode 32 auf der Referenzgasseite, zusammengesetzt. Die Festelektrolytschicht 6 ist zwischen den Elektroden 31 und 32 angeordnet. Die Elektroden 31 und 32 sind einander entgegengesetzt. Die Elektrode 31 auf der Messgasseite erstreckt sich auf der oberen Oberfläche der Festelektrolytschicht 6, die an den Abstandshalter 8 angrenzt. Die Elektrode 31 auf der Messgasseite liegt in der zweiten Messgas-Kammer 72 frei. Die Elektrode 32 auf der Referenzgasseite erstreckt sich auf der unteren Oberfläche des Festelektrolytelements 6, das an den Abstandshalter 9 angrenzt. Die Elektrode 32 auf der Referenzgasseite liegt in der Referenzgas-Kammer 100 frei.
Wie vorstehend erwähnt, ist die Sensorzelle 4 aus dem Festelektrolytelement 6 und einem Elektrodenpaar, der Elektrode 41 auf der Messgasseite und der Elektrode 42 auf der Referenzgasseite, zusammengesetzt. Die Festelektrolytschicht 6 ist zwischen den Elektroden 41 und 42 sandwichartig angeordnet. Die Elektroden 41 und 42 sind einander entgegengesetzt. Die Elektrode 41 auf der Messgasseite erstreckt sich auf der oberen Oberfläche der Festelektrolytschicht 6, die an den Abstandshalter 8 angrenzt. Die Elektrode 41 auf der Messgasseite liegt in der zweiten Messgas-Kammer 72 frei. Die Elektrode 42 auf der Messgasseite erstreckt sich auf der unteren Oberfläche des Festelektrolytelements 6, das an den Abstandshalter 9 angrenzt. Die Elektrode 42 auf der Referenzgasseite liegt in der Referenzgas-Kammer 100 frei.
Vorzugsweise sind in der zweiten Messgas-Kammer 72 die Sauerstoffkontrollzelle 3 und die Sensorzelle 4 bezüglich eines Stroms des Messgases nebeneinander oder parallel angeordnet. Alternativ können die Sauerstoffkontrollzelle 3 und die Sensorzelle 4 bezüglich eines Stroms des Messgases aufeinanderfolgend angeordnet sein.
Die Elektrode 21 in der Sauerstoffpumpzelle 2 und die Elektrode 41 auf der Messgasseite in der Sensorzelle 4 schließen poröse Cermet-Elektroden ein, die als Hauptkomponenten Pt (Platin) und Au (Gold) enthalten, zu denen Ti (Titan) zugegeben ist. Vorzugsweise liegt der Au-Gehalt oder der Ti-Gehalt der Materialien für die Elektroden 21 und 41 in dem Bereich von 1 bis 20 Gew.-%. Die Elektrode 21 in der Sauerstoffpumpzelle 2 und die Elektrode 41 auf der Messgasseite in der Sensorzelle 4 sind gegenüber Kohlenwasserstoff im wesentlichen inaktiv. Mit anderen Worten haben die Elektroden 21 und 41 kaum eine kohlenwasserstoffoxidierende Wirkung.
Die Elektrode 31 auf der Messgasseite in der Sauerstoffkontrollzelle 3 schließt eine poröse Cermet- Elektrode ein, die als Hauptkomponenten Pt (Platin) und Au (Gold) enthält. Vorzugsweise liegt der Au-Gehalt des Materials für die Elektrode 31 in dem Bereich von 1 bis 20 Gew.-%. Die Elektrode 31 auf der Messgasseite in der Sauerstoffkontrollzelle 3 ist gegenüber Kohlenwasserstoff aktiv. Anders gesagt hat die Elektrode 31 eine kohlenwasserstoffoxidierende Wirkung. Die kohlenwasserstoffoxidierende Wirkung der Elektrode 31 auf der Messgasseite in der Sauerstoffkontrollzelle 3 ist größer als die der Elektrode 41 auf der Messgasseite in der Sensorzelle 4. Insbesondere ist die Elektrode 31 gegenüber Kohlenwasserstoffen, ausgenommen Methan (CH₄), hochgradig aktiv.
Die Elektrode 22 in der Sauerstoffpumpzelle 2, die Elektrode 32 auf der Referenzgasseite in der Sauerstoffkontrollzelle 3 und die Elektrode 42 auf der Referenzgasseite in der Sensorzelle 4 schließen poröse Cermet-Elektroden ein, die Pt enthalten.
Wie am besten in Fig. 3 gezeigt werden Leitungen (Verdrahtungsbahnen) 23, 24, 33, 34, 43 und 44 einstückig mit den Elektroden 21, 22, 31, 32, 41 beziehungsweise 42 ausgebildet. Die Leitungen 23, 24, 33, 34, 43 und 44 werden verwendet, um elektrische Signale von den Elektroden 21, 22, 31, 32, 41 beziehungsweise 42 abzugreifen. Vorzugsweise wird eine isolierende Schicht aus zum Beispiel Aluminiumoxid zwischen der Leitung 23 und der Festelektrolytschicht 5 gebildet. Zudem wird eine isolierende Schicht aus zum Beispiel Aluminiumoxid zwischen der Leitung 24 und der Festelektrolytschicht 5 gebildet. Zusätzlich wird eine isolierende Schicht aus zum Beispiel Aluminiumoxid zwischen der Leitung 33 und der Festelektrolytschicht 6 gebildet. Zudem wird eine isolierende Schicht aus zum Beispiel Aluminiumoxid zwischen der Leitung 34 und der Festelektrolytschicht 6 gebildet. Des weiteren wird eine isolierende Schicht aus zum Beispiel Aluminiumoxid zwischen der Leitung 43 und der Festelektrolytschicht 6 gebildet. Zudem wird eine isolierende Schicht aus zum Beispiel Aluminiumoxid zwischen der Leitung 44 und der Festelektrolytschicht 6 gebildet.
Der keramische Heizer 10 schließt eine Heizlage 13, eine Heizelektrode 14 und eine isolierende Aluminiumoxidschicht 15 ein. Die Heizlage 13 ist aus Aluminiumoxid gemacht. Die Heizelektrode 14 wird auf der oberen Oberfläche der Heizlage 13 durch Mustererzeugung gebildet. Die Aluminiumoxidschicht 15 wird auf der oberen Oberfläche der Heizlage 13, die die Heizelektrode 14 hat, überlagert. Dem gemäß erstreckt sich die Heizelektrode 14 zwischen der Heizlage 13 und der Alumiumoxidschicht 15. Die Aluminiumoxidschicht erstreckt sich unterhalb des Abstandshalters 9 an diesen angrenzend. Somit grenzt der keramische Heizer 10 an die untere Oberfläche des Abstandshalters 9 an. Die Heizelektrode 14 verwendet ein Pt enthaltendes Cermet und Keramiken wie etwa Aluminiumoxid. Die Heizelektrode 14 wird aufgeheizt, wenn sie von außen mit elektrischer Energie gespeist wird. Der keramische Heizer 10 arbeitet, um die Sauerstoffpumpzelle 2, die Sauerstoffkontrollzelle 3 und die Sensorzelle 4 auf Temperaturen zu erhitzen, bei denen die Zellen 2, 3 und 4 für eine genaue Ermittlung der Konzentration der spezifischen Komponente (der Kohlenwasserstoffkonzentration) hinreichend aktiv sind.
Sensoranschlüsse 140 werden auf den oberen und unteren Oberflächen des Gassensors 1 bereitgestellt. Die Festelektrolytschicht 5, der Abstandshalter 8, der Abstandshalter 9, die Aluminiumoxidschicht 15 und die Heizlage 13 haben Durchgangslöcher, die mit elektrischen Leitern belegt sind. Die Elektroden 21 und 22 in der Sauerstoffpumpzelle 2, die Elektroden 31 und 32 in der Sauerstoffkontrollzelle 3, die Elektroden 41 und 42 in der Sensorzelle 4 und die entgegengesetzten Enden 141 und 142 der Heizelektrode 14 sind elektrisch mit den Sensoranschlüssen 140 über die Leitungen 23, 24, 33, 34, 43, und 44 und über die elektrischen Leiter, die die Durchgangslöcher 130 belegen, verbunden. Leiterbahnen sind über Anschlüsse mit den Sensoranschlüssen elektrisch verbunden. Die Anbindungen der Leiterbahnen an die Anschlüsse werden zum Beispiel über ein Crimpverfahren, ein Lötverfahren, ein Hartlötverfahren oder ein Schweißverfahren vorgenommen. Elektrische Signale und elektrische Energie können zwischen dem Gassensor 1 (den Zellen 2, 3 und 4 und dem keramischen Heizer 10) und einem äußeren Stromkreis über die Leitungsbahnen übertragen werden.
Die Festelektrolytelemente 5 und 6, die Abstandshalter 8 und 9, die Heizlage 13 und die Aluminiumoxidschicht 15 werden durch geeignete Schritte einschließlich der folgenden Schritte hergestellt. Die Materialien für die Festelektrolytelemente 5 und 6, die Abstandshalter 8 und 9, die Heizlage 13 und die Aluminiumoxidschicht 15 werden mittels eines Rakelverfahrens oder eines Extrusionsverfahrens in die geeigneten Lagenformen geformt.
Die Elektroden 21, 22, 31, 32, 41 und 42, die Leitungen 23, 24, 33, 34, 43 und 44 und die Sensoranschlüsse 140 werden zum Beispiel durch Rasterdruck gebildet.
Die Festelektrolytelemente 5 und 6, die Abstandshalter 8 und 9, die poröse Schutzschicht 12, die Heizlage 13 und die Aluminiumoxidschicht 15 sind als Laminierung angeordnet, die zu einem einzelnen Körper gebrannt sind.
Wie in Fig. 2 gezeigt ist ein Antriebsstromkreis 240, der eine Energieversorgungseinrichtung 25 mit variabler Spannung einschließt, elektrisch zwischen den Elektroden 21 und 22 der Sauerstoffpumpzelle 2 angeschlossen. Der Antriebsstromkreis 240 legt die Spannung der Energieversorgungseinrichtung 25 zwischen den Elektroden 21 und 22 an. Normalerweise versorgt die Energieversorgungseinrichtung 25 die Elektrode 22 mit einem positiven Potential (einer Plus-Polarität), wie in Fig. 2 gezeigt ist. Unter speziellen Bedingungen versorgt die Energieversorgungseinrichtung 25 die Elektrode 21 mit einem positiven Potential (einer Plus- Polarität).
Ein Antriebs- und Detektorstromkreis 340 ist elektrisch zwischen den Elektroden 31 und 32 der Sauerstoffkontrollzelle 3 angeschlossen. Der Antriebs- und Detektorstromkreis 340 schließt einen Gleichstrom- Energieversorgungseinrichtung 35 und einen Stromdetektor 36 ein, die in Reihe geschaltet sind. Die Energieversorgungseinrichtung 35 dient dazu, eine Spannung zwischen den Elektroden 31 und 32 anzulegen. Der Stromdetektor 36 erfasst einen elektrischen Strom, der gleich einem zwischen den Elektroden 31 und 32 fließenden Sauerstoffionenstrom ist.
Ein Antriebs- und Detektorstromkreis 440 ist elektrisch zwischen den Elektroden 41 und 42 der Sensorzelle 4 angeschlossen. Der Antriebs- und Detektorstromkreis 440 schließt einen Gleichstrom- Energieversorgungseinrichtung 45 und einen Stromdetektor 46 ein, die in Reihe geschaltet sind. Die Energieversorgungseinrichtung 45 dient dazu, eine Spannung zwischen den Elektroden 41 und 42 anzulegen. Der Stromdetektor 46 erfasst einen elektrischen Strom, der gleich einem zwischen den Elektroden 41 und 42 fließenden Sauerstoffionenstrom ist.
Die Energieversorgungseinrichtungen 25, 35 und 45 und die Stromdetektoren 36 und 46 sind mit einer äußeren Steuerung verbunden, die eine Rechenvorrichtung zum Ausführen von Steuer- und Rechenvorgängen einschließt. Ein Signal, das den durch den Stromdetektor 36 erfassten Sauerstoffionenstrom repräsentiert, wird durch eine Signalleitung 250 zu der Rechenvorrichtung in der äußeren Steuerung übermittelt. Die Rechenvorrichtung in der äußeren Steuerung stellt die Spannung der Energieversorgungseinrichtung 25 in Reaktion auf den durch den Stromdetektor 36 erfassten Sauerstoffionenstrom ein.
Die äußere Steuerung kann einen Signalprozessor 150 einschließen, der mit den Stromdetektoren 36 und 46 verbunden ist. Der Signalprozessor 150 erhält Signale, die die durch die Stromdetektoren 36 und 46 erfassten Sauerstoffionenströme repräsentieren. Der Signalprozessor 150 schließt einen Mikrocomputer ein, der einen kombinierten Eingangs/Ausgangs-Anschluss, einen Verarbeitungsbereich, einen ROM und einen RAM hat. Der Signalprozessor 150 arbeitet in Übereinstimmung mit einem in dem ROM gespeicherten Steuerprogramm. Das Steuerprogramm ist ausgelegt, dass der Signalprozessor 150 die Kohlenwasserstoffkonzentration in dem Messgas aus der Beziehung zwischen den durch die Stromdetektoren 36 und 46 erfassten Sauerstoffionenströmen abschätzen kann. Zum Beispiel berechnet der Signalprozessor 150 den Unterschied zwischen den Sauerstoffionenströmen und schätzt die Kohlenwasserstoffkonzentration aus dem berechneten Unterschied ab. Der Signalprozessor 150 gibt ein für die abgeschätzte Kohlenwasserstoffkonzentration repräsentatives Signal aus.
Der Gassensor 1 arbeitet wie folgt. Ein Messgas, das ein durch einen Kraftfahrzeugmotor produziertes Abgas ist, wird aus dem äußeren Raum 110 über die poröse Schutzschicht 12 und das kleine Loch 11 in die erste Messgas-Kammer 71 eingeleitet. Der Stromversorger 25 legt eine Antriebsspannung zwischen den Elektroden 21 und 22 in der Sauerstoffpumpzelle an und bringt dadurch die Sauerstoffpumpzelle dazu, einen Pumpvorgang auszuführen, der Sauerstoff zwischen der ersten Messgas-Kammer 71 und dem äußeren Raum 110 überträgt. Die zwischen den Elektroden 21 und 22 angelegte Antriebsspannung, d. h. der Sauerstoffübergang zwischen der ersten Messgas-Kammer 71 und dem äußeren Raum 110, wird gesteuert, um die Sauerstoffkonzentration in dem Messgas innerhalb der ersten Messgas-Kammer 71 einzustellen.
Wenn eine Antriebsspannung in einer Weise zwischen den Elektroden 21 und 22 der Sauerstoffpumpzelle 2 angelegt wird, so dass die Elektrode 22 einem positiven Potential (einer Plus-Polarität) unterzogen wird, werden Sauerstoffmoleküle in dem Messgas innerhalb der ersten Messgas-Kammer 71 an der Elektrode 21 zu Sauerstoffionen reduziert. Die Sauerstoffionen fließen von der Elektrode 21 durch die Festelektrolytschicht 5 zur Elektrode 22, so dass Sauerstoff aus dem Messgas innerhalb der ersten Messgas-Kammer 71 herausgepumpt wird. Daher sinkt die Sauerstoffkonzentration in dem Messgas innerhalb der ersten Messgas-Kammer 71.
Wenn andererseits eine Antriebsspannung in der Weise zwischen den Elektroden 21 und 22 der Sauerstoffpumpzelle 2 angelegt wird, so dass die Elektrode 21 einem positiven Potential (einer Plus-Polarität) unterzogen wird, werden Sauerstoffmoleküle und Wasserdampf in dem Messgas innerhalb des äußeren Raums 110 an der Elektrode 22 zu Sauerstoff- und anderen Ionen reduziert. Die Sauerstoffionen fließen von der Elektrode 22 durch die Festelektrolytschicht 5 zur Elektrode 21, so dass Sauerstoff in das Messgas innerhalb der ersten Messgas- Kammer 71 hineingepumpt wird. Daher steigt die Sauerstoffkonzentration in dem Messgas innerhalb der ersten Messgas-Kammer 71.
Die Sauerstoffpumpzelle 2 führt solche Pumpvorgänge aus und stellt dadurch die Sauerstoffkonzentration in dem Messgas innerhalb der ersten Messgas-Kammer 71 auf einen für die Ermittlung der Kohlenwasserstoffkonzentration in dem Messgas geeigneten Wert ein. Das Messgas mit eingestellter Sauerstoffkonzentration wird von der ersten Messgas-Kammer 71 über den engen Durchlass 73 in die zweite Messgas-Kammer 72 eingeleitet.
Eine Spannung wird zwischen den Elektroden 31 und 32 der Sauerstoffkontrollzelle 3 angelegt. Die angelegte Spannung wird so gewählt, dass die Sauerstoffkontrollzelle 3 eine Grenzstromcharakteristik zeigt. Die angelegte Spannung ist zum Beispiel gleich 0,40 V. In ähnlicher Weise wird eine Spannung zwischen den Elektroden 41 und 42 der Sensorzelle 4 angelegt. Die angelegte Spannung wird so gewählt, dass die Sensorzelle 4 eine Grenzstromcharakteristik zeigt. Die angelegte Spannung ist zum Beispiel gleich 0,40 V.
Wenn eine Spannung zwischen den Elektroden 31 und 32 der Sauerstoffkontrollzelle 3 in einer Weise angelegt wird, dass die Elektrode 32 wie in Fig. 2 gezeigt einem positiven Potential (einer Plus-Polarität) unterzogen wird, werden Sauerstoffmoleküle in dem Messgas innerhalb der zweiten Messgas-Kammer 72 an der Elektrode 31 zu Sauerstoffionen reduziert. Die Sauerstoffionen fließen von der Elektrode 31 durch die Festelektrolytschicht 6 zur Elektrode 32. Somit fließt ein Sauerstoffionenstrom zwischen den Elektroden 31 und 32. Die an die Sauerstoffpumpzelle 2 angelegte Antriebsspannung wird in Reaktion auf den Sauerstoffionenstrom in der Sauerstoffkontrollzelle 3 auf der Grundlage einer Rückkopplungskontrolle so eingestellt, dass der Sauerstoffionenstrom in der Sauerstoffkontrollzelle 3 bei einem vorgeschriebenen konstanten Wert (zum Beispiel gleich 0,5 µA) gehalten wird.
Die Elektrode 31 auf der Messgasseite in der Sauerstoffkontrollzelle 3 hat eine große kohlenwasserstoffoxidierende Wirkung. Daher reagiert an der Elektrode 31 Kohlenwasserstoff in dem Messgas innerhalb der zweiten Messgas-Kammer 72 mit dem Sauerstoff darin. Dem gemäß wird Sauerstoff in dem an die Elektrode 31 angrenzenden Messgas verbraucht. Somit entspricht der Sauerstoffionenstrom in der Sauerstoffkontrollzelle 3 der Sauerstoffkonzentration in dem an die Elektrode 31 angrenzenden Messgas, d. h. der Sauerstoffkonzentration, die aus der Reaktion zwischen Kohlenwasserstoff und Sauerstoff oder aus dem Verbrauch von Sauerstoff resultiert.
Wenn eine Spannung zwischen den Elektroden 41 und 42 der Sensorzelle 4 in einer Weise angelegt wird, dass die Elektrode 42 wie in Fig. 2 gezeigt einem positiven Potential (einer Plus-Polarität) unterzogen wird, werden Sauerstoffmoleküle in dem Messgas innerhalb der zweiten Messgas-Kammer 72 an der Elektrode 41 zu Sauerstoffionen reduziert. Die Sauerstoffionen fließen von der Elektrode 41 durch die Festelektrolytschicht 6 zur Elektrode 42. Daher fließt ein Sauerstoffionenstrom zwischen den Elektroden 41 und 42.
Die Elektrode 41 auf der Messgasseite in der Sensorzelle 4 hat kaum eine kohlenwasserstoffoxidierende Wirkung. Daher ist die Menge an Kohlenwasserstoff in dem Messgas innerhalb der zweiten Messgas-Kammer 72, die mit dem Sauerstoff darin an der Elektrode 41 reagiert, kleiner als die an der Elektrode 31 der Sauerstoffkontrollzelle 3. Sauerstoff wird in dem an die Elektrode 41 angrenzenden Messgas kaum verbraucht. Somit ist die Sauerstoffkonzentration in dem an die Elektrode 41 angrenzenden Messgas höher als die in dem an die Elektrode 31 angrenzenden Messgas. Der Sauerstoffionenstrom in der Sensorzelle 4 entspricht der höheren Sauerstoffkonzentration.
Wie vorher erwähnt wird die Sauerstoffpumpzelle 2 so gesteuert, dass der Sauerstoffionenstrom in der Sauerstoffkontrollzelle 3 bei einem vorgeschriebenen Wert gehalten wird. Somit wird die Sauerstoffkonzentration in dem an die Elektrode 31 angrenzenden Messgas, d. h. die Sauerstoffkonzentration, die aus der Reaktion zwischen Kohlenwasserstoff und Sauerstoff oder aus dem Verbrauch von Sauerstoff resultiert, auf ein konstantes Niveau geregelt. Wenn der Sauerstoffionenstrom in der Sensorzelle 4 mit dem Sauerstoffionenstrom in der Sauerstoffkontrollzelle 3 verglichen wird, zeigt er die Kohlenwasserstoffkonzentration in dem Messgas innerhalb der zweiten Messgas-Kammer 72 an. Dem gemäß wird die Kohlenwasserstoffkonzentration in dem Messgas durch Messen des Sauerstoffionenstroms in der Sensorzelle 4 unter Berücksichtigung der Beziehung zwischen dem Sauerstoffionenstrom in der Sensorzelle 4 und dem Sauerstoffionenstrom in der Sauerstoffkontrollzelle 3 ermittelt.
Die Stromdetektoren 36 und 46 erfassen die Sauerstoffionenströme in der Sauerstoffkontrollzelle 3 beziehungsweise der Sensorzelle 4. Die Kohlenwasserstoffkonzentration in dem Messgas wird auf der Grundlage der durch die Stromdetektoren 36 und 46 erfassen Sauerstoffionenströme ermittelt. Somit wird die Kohlenwasserstoff-Gaskonzentration aus den zwei gleichartigen Zustandsparametern, d. h. den zwei Sauerstoffionenströmen, erhalten. Die zwei gleichartigen Zustandsparameter zeigen jeweils ähnliche Schwankungsbreiten, wenn sich die Messbedingungen der Kohlenwasserstoff-Gaskonzentration ändern. Daher hat das Ergebnis der Ermittlung der Kohlenwasserstoff- Gaskonzentration kaum einen Fehler bei sich ändernden Messumgebungen. Ein Beispiel der Änderung in den Messbedingungen ist eine Veränderung in den Bedingungen der brennbaren Messgaskomponenten oder eine Veränderung in der Sauerstoffkonzentration in dem Messgas.
Erste Versuche wurden an dem Gassensor 1 und einem Vergleichsgassensor durchgeführt. Während der ersten Versuche wurde jedes der brennbaren Gase Methan (CH₄), Propylen (C₃H₆) und Ethylen (C₂H₄) als Kohlenwasserstoff in dem Messgas verwendet. Der Sauerstoffionenstrom in der Sensorzelle 4 wurde als ein Sensorzellenstrom (µA) gemessen, während die Kohlenwasserstoffkonzentration (ppm) in dem Messgas variiert wurde.
Die Sauerstoffkonzentration in dem Messgas wurde auf einen konstanten Wert (0,001%) gesetzt. Das Messgas bestand, abgesehen von Kohlenwasserstoff und Sauerstoff, aus Stickstoff. Die Methankonzentration (CH₄), die Propylenkonzentration (C₃H₆) oder die Ethylenkonzentration (C₂H₄) in dem Messgas wurde zwischen 0 und 500 ppm bezogen auf die Stickstoffkonzentration darin variiert.
Das Messgas wurde in die Messgaskammer 7 des Gassensors 1 eingeleitet und der Sauerstoffionenstrom in der Sensorzelle 4 wurde als ein Sensorzellenstrom (µA) gemessen.
Ein Vergleichsgassensor wurde hergestellt. Der Vergleichsgassensor wurde so ausgelegt, dass eine Sauerstoffkontrollzelle eine Sauerstoffkonzentration aus einer elektromotorischen Kraft ermittelte. Das Messgas wurde in eine Messgaskammer des Vergleichsgassensors eingeleitet und ein Sauerstoffionenstrom in einer Sensorzelle wurde als ein Sensorzellenstrom (µA) gemessen.
Fig. 4 zeigt die Beziehung zwischen dem gemessenen Sensorzellenstrom, der Methankonzentration (CH₄), der Propylenkonzentration (C₃H₆) und der Ethylenkonzentration (C₂H₄), die durch die ersten Versuche an dem Gassensor 1 erhalten wurde. Fig. 5 zeigt die Beziehung zwischen dem gemessenen Sensorzellenstrom, der Methankonzentration (CH₄), der Propylenkonzentration (C₃H₆) und der Ethylenkonzentration (C₂H₄), die durch die ersten Versuche an dem Vergleichsgassensor erhalten wurde. In dem Vergleichsgassensor veränderte sich der bei einer Kohlenwasserstoffkonzentration von 0 ppm auftretende Sensorzellenstrom, d. h. der Versatzsensorzellenstrom, signifikant in Abhängigkeit vom Kohlenwasserstofftyp. Andererseits veränderte sich der in dem Gassensor 1 bei einer Kohlenwasserstoffkonzentration von 0 ppm auftretende Sensorzellenstrom (d. h. der Versatzsensorzellenstrom) kaum in Abhängigkeit vom Kohlenwasserstofftyp. Wie aus den vorstehend erwähnten Ergebnissen der ersten Versuche offensichtlich ist, kann der Gassensor 1 die Kohlenwasserstoffkonzentration in dem Messgas genau ermitteln, selbst wenn sich der Kohlenwasserstofftyp ändert.
Zweite Versuche wurden an dem Gassensor 1 und dem Vergleichsgassensor durchgeführt. Während der zweiten Versuche wurde Ethylen (C₂H₄) als Kohlenwasserstoff in dem Messgas verwendet. Der Sauerstoffionenstrom in der Sensorzelle 4 wurde als ein Sensorzellenstrom (µA) gemessen, während die Kohlenwasserstoffkonzentration (ppm) in dem Messgas variiert wurde und zudem die Sauerstoffkonzentration in dem Messgas zwischen 0,001%, 10% und 20% verändert wurde.
Das Messgas bestand, abgesehen von Kohlenwasserstoff und Sauerstoff, aus Stickstoff. Die Ethylenkonzentration (C₂H₄) in dem Messgas wurde zwischen 0 und 500 ppm bezogen auf die Stickstoffkonzentration darin variiert. Das Messgas wurde in die Messgaskammer 7 des Gassensors 1 eingeleitet und der Sauerstoffionenstrom in der Sensorzelle 4 wurde als ein Sensorzellenstrom (µA) gemessen.
In ähnlicher Weise wurde das Messgas in die Messgaskammer des Vergleichsgassensors eingeleitet und der Sauerstoffionenstrom in der Sensorzelle wurde als ein Sensorzellenstrom (µA) gemessen.
Fig. 6 zeigt die Beziehung zwischen dem gemessenen Sensorzellenstrom, der Ethylenkonzentration (C₂H₄) und der Sauerstoffkonzentration, die durch die zweiten Versuche an dem Gassensor 1 erhalten wurde. Fig. 7 zeigt die Beziehung zwischen dem gemessenen Sensorzellenstrom, der Ethylenkonzentration (C₂H₄) und der Sauerstoffkonzentration, die durch die zweiten Versuche an dem Vergleichsgassensor erhalten wurde. In dem Vergleichsgassensor veränderte sich der bei einer Kohlenwasserstoffkonzentration von 0 ppm auftretende Sensorzellenstrom, d. h. der Versatzsensorzellenstrom, signifikant in Abhängigkeit von der Sauerstoffkonzentration. Andererseits veränderte sich der in dem Gassensor 1 bei einer Kohlenwasserstoffkonzentration von 0 ppm auftretende Sensorzellenstrom (d. h. der Versatzsensorzellenstrom) kaum in Abhängigkeit von der Sauerstoffkonzentration. Wie aus den vorstehend erwähnten Ergebnissen der zweiten Versuche offensichtlich ist, kann der Gassensor 1 die Kohlenwasserstoffkonzentration in dem Messgas genau ermitteln, selbst wenn sich die Sauerstoffkonzentration darin ändert.
Ein Gassensor 1 einer zweiten speziellen Ausführungsform dieser Erfindung ist ähnlich zu dem ihrer ersten speziellen Ausführungsform, abgesehen von einer hiernach genannten Konstruktionsänderung.
In dem Gassensor 1 der zweiten speziellen Ausführungsform dieser Erfindung ist die Elektrode 31 auf der Messgasseite der Sauerstoffkontrollzelle 3 gegenüber Kohlenwasserstoff einschließlich Methan (CH₄) aktiv.
Insbesondere hat die Elektrode 31 auf der Messgasseite eine ausreichende oxidierende Wirkung bezüglich Kohlenwasserstoff einschließlich Methan (CH₄). Die kohlenwasserstoffoxidierende Wirkung der Elektrode 41 auf der Messgasseite in der Sensorzelle 4 ist geringer als die der Elektrode 31 auf der Messgasseite in der Sauerstoffkontrollzelle 3.
Speziell schließt die Elektrode 31 auf der Messgasseite in der Sauerstoffkontrollzelle 3 eine poröse Cermet-Elektrode ein, die Pt (Platin) enthält. Die Elektrode 31 ist gegenüber Kohlenwasserstoff einschließlich Methan (CH₄) hochgradig aktiv. Mit anderen Worten hat die Elektrode 31 eine hohe Oxidationswirkung bezüglich Kohlenwasserstoff einschließlich Methan (CH₄).
Versuche wurden an dem Gassensor 1 durchgeführt. Während der Versuche wurde jedes der brennbaren Gase Methan (CH₄), Propylen (C₃H₆) und Ethylen (C₂H₄) als Kohlenwasserstoff in dem Messgas verwendet. Der Sauerstoffionenstrom in der Sensorzelle 4 wurde als ein Sensorzellenstrom (µA) gemessen, während die Kohlenwasserstoffkonzentration (ppm) in dem Messgas variiert wurde.
Die Sauerstoffkonzentration in dem Messgas wurde auf einen konstanten Wert (0,001%) gesetzt. Das Messgas bestand, abgesehen von Kohlenwasserstoff und Sauerstoff, aus Stickstoff. Die Methankonzentration (CH₄), die Propylenkonzentration (C₃H₆) oder die Ethylenkonzentration (C₂H₄) in dem Messgas wurde zwischen 0 und 500 ppm bezogen auf die Stickstoffkonzentration darin variiert.
Das Messgas wurde in die Messgaskammer 7 des Gassensors 1 eingeleitet und der Sauerstoffionenstrom in der Sensorzelle 4 wurde als ein Sensorzellenstrom (µA) gemessen.
Fig. 8 zeigt die Beziehung zwischen dem gemessenen Sensorzellenstrom, der Methankonzentration (CH₄), der Propylenkonzentration (C₃H₆) und der Ethylenkonzentration (C₂H₄), die durch die Versuche an dem Gassensor 1 erhalten wurde. Die Empfindlichkeit des Gassensors 1 bezüglich Methan (CH₄) ist größer als die des Gassensors in der ersten speziellen Ausführungsform dieser Erfindung. In dem Gassensor 1 veränderte sich der bei einer Kohlenwasserstoffkonzentration von 0 ppm auftretende Sensorzellenstrom (d. h. der Versatzsensorzellenstrom) kaum in Abhängigkeit vom Kohlenwasserstofftyp. Wie aus den oben erwähnten Ergebnissen der Versuche offensichtlich ist, kann der Gassensor 1 die Kohlenwasserstoffkonzentration in dem Messgas genau ermitteln, selbst wenn sich der Kohlenwasserstofftyp ändert.
Fig. 9 zeigt einen Gassensor 1A gemäß einer dritten speziellen Ausführungsform dieser Erfindung. Der Gassensor 1A ist ähnlich zu dem Gassensor 1 (Fig. 2), abgesehen von hiernach genannten Konstruktionsänderungen.
Wie in Fig. 9 gezeigt, schließt der Gassensor 1A eine Messgaskammer 7 ein, in die ein Messgas (ein Abgas) eingeleitet wird. Die Messgas-Kammer 7 ist in eine erste Messgas-Kammer 71 und eine zweite Messgas-Kammer 72 unterteilt, die miteinander in Verbindung stehen. Der Gassensor 1A schließt ferner eine Sauerstoffpumpzelle 2, eine Sauerstoffkontrollzelle 3 und eine Sensorzelle 4 ein.
Die Sauerstoffpumpzelle 2 hat ein Festelektrolytelement 6 und ein Paar Elektroden 21 und 22. Die Elektroden 21 und 22 werden auf der oberen beziehungsweise unteren Oberfläche des Festelektrolytelements 6 bereitgestellt. Die Elektrode 21 liegt in der ersten Messgas-Kammer 71 frei. Die Elektrode 22 liegt in einer Referenzgas-Kammer 100 frei, in die eine Atmosphäre mit einer vorbestimmten konstanten Sauerstoffkonzentration als ein Referenzgas eingeleitet wird.
Die Sauerstoffkontrollzelle 3 hat ein Festelektrolytelement 5 und ein Paar Elektroden 31 und 32. Die Elektroden 31 und 32 werden auf der oberen beziehungsweise unteren Oberfläche des Festelektrolytelements 5 bereitgestellt. Die Elektrode 31 liegt in der zweiten Messgas-Kammer 72 frei. Die Elektrode 32 liegt in einer Referenzgas-Kammer 102 frei, in die die Atmosphäre mit einer vorbestimmten konstanten Sauerstoffkonzentration als ein Referenzgas eingeleitet wird.
Die Sensorzelle 4 hat ein Festelektrolytelement 5 und ein Paar Elektroden 41 und 42. Die Elektroden 41 und 42 werden auf der oberen beziehungsweise unteren Oberfläche des Festelektrolytelements 5 bereitgestellt. Die Elektrode 41 liegt in der zweiten Messgas-Kammer 72 frei. Die Elektrode 42 liegt in der Referenzgas-Kammer 102 frei.
Wie in Fig. 9 gezeigt, schließt der Gassensor 1A eine Laminierung aus einem lagenartigen Abstandshalter 80, einem lagenartigen Festelektrolytelement 5, einem lagenartigen Abstandshalter 8, einem lagenartigen Festelektrolytelement 6, einem lagenartigen Abstandshalter 9 und einem keramischen Heizer 10 ein, die in dieser Reihenfolge angeordnet sind. Der Abstandshalter 80 ist über einem Teil der oberen Oberfläche des Festelektrolytelements 5 angeordnet. Die Referenzgas- Kammer 102 ist zwischen dem Abstandshalter 80 und dem Festelektrolytelement 5 festgelegt. Die Elektrode 32 auf der Referenzgasseite der Sauerstoffkontrollzelle 3 und die Elektrode 42 auf der Referenzgasseite der Sensorzelle 4 liegen in der Referenzgas-Kammer 102 frei. Das Festelektrolytelement 5 wird zum Bilden der Sauerstoffkontrollzelle 3 und der Sensorzelle 4 verwendet. Das Festelektrolytelement 6 wird zum Bilden der Sauerstoffpumpzelle 2 verwendet.
Die Sauerstoffpumpzelle 2 pumpt und überführt Sauerstoff zwischen der Messgas-Kammer 7 und der Referenzgas-Kammer 100 und stellt dadurch die Sauerstoffkonzentration in dem Messgas innerhalb der Messgas-Kammer 7 ein. Selbst in dem Fall, in dem das aus dem äußeren Raum 110 eingeleitete Messgas keine Sauerstoffquelle wie etwa Sauerstoffmoleküle und Wasserdampf hat, kann daher die Sauerstoffkonzentration in dem Messgas innerhalb der Messgaskammer 7 durch Verwendung von Sauerstoff in dem Referenzgas innerhalb der Referenzgas-Kammer 100 eingestellt werden.
Vorzugsweise sind die Sauerstoffkontrollzelle 3 und die Sensorzelle 4 in der zweiten Messgas-Kammer 72 bezüglich eines Stroms des Messgases nebeneinander oder parallel angeordnet.
Die Sauerstoffkontrollzelle 3 und die Sensorzelle 4 können sich in der ersten Messgaskammer 71 befinden. In der ersten Messgaskammer 71 können die Sauerstoffkontrollzelle 3 und die Sensorzelle 4 bezüglich eines Stroms des Messgases aufeinanderfolgend angeordnet sein.
Die Sauerstoffkontrollzelle 3 und die Sensorzelle 4 können sich in der ersten Messgaskammer 71 beziehungsweise der zweiten Messgas-Kammer 72 befinden.
Fig. 10 zeigt einen Gassensor 1B gemäß einer vierten speziellen Ausführungsform dieser Erfindung. Der Gassensor 1B ist ähnlich zu dem Gassensor 1A (Fig. 9), abgesehen Von einer hiernach genannten Konstruktionsänderung.
Wie in Fig. 10 gezeigt, sind in der zweiten Messgas-Kammer 72 des Gassensors 1B die Sauerstoffkontrollzelle 3 und die Sensorzelle 4 bezüglich eines Stroms des Messgases aufeinanderfolgend angeordnet.
Fig. 11 zeigt einen Gassensor 1C gemäß einer fünften speziellen Ausführungsform dieser Erfindung. Der Gassensor 1C ist ähnlich zu dem Gassensor 1B (Fig. 10), abgesehen von hiernach genannten Konstruktionsänderungen.
Wie in Fig. 11 gezeigt, schließt der Gassensor 1C eine gebräuchliche Elektrode ein, die sowohl die Elektrode 32 auf der Referenzgasseite der Sauerstoffkontrollzelle 3 als auch die Elektrode 42 auf der Referenzgasseite der Sensorzelle 4 bildet. Die Elektrode 31 auf der Messgasseite der Sauerstoffkontrollzelle 3 liegt in der ersten Messgas- Kammer 71 frei.
Die Elektrode 21 der Sauerstoffpumpzelle 2 ist aus einem Material gemacht, das vorzugsweise 98 Gew.-% Pt (Platin) und 2 Gew.-% Au (Gold) enthält. Die Elektrode 31 auf der Messgasseite der Sauerstoffkontrollzelle 3 ist aus einem Material gemacht, das vorzugsweise 95 Gew.-% Pt (Platin) und 5 Gew.-% Au (Gold) enthält. Die Elektrode 41 auf der Messgasseite der Sensorzelle 4 ist aus einem Material gemacht, das vorzugsweise 90 Gew.-% Pt (Platin) und 10 Gew.-% TiO₂ (Titandioxid) enthält. Um eine geeignete Gasleitfähigkeit zu gewährleisten, kann ZrO₂ zu 10 Gew.-% zu jeder der Elektroden der Sauerstoffpumpzelle 2, der Sauerstoffkontrollzelle 3 und der Sensorzelle 4 zugegeben werden.
Versuche wurden an dem Gassensor 1C durchgeführt. Während der Versuche wurde jedes der brennbaren Gase Methan (CH₄), Ethan (C₂H₆), Propylen (C₃H₆), Ethylen (C₂H₄) und Butan (C₄H₁₀) als Kohlenwasserstoff in dem Messgas verwendet. Der Sauerstoffionenstrom in der Sensorzelle 4 wurde als ein Sensorzellenstrom (µA) gemessen, während die Kohlenwasserstoffkonzentration (ppm) in dem Messgas variiert wurde.
Das Messgas bestand, abgesehen von Kohlenwasserstoff, aus Stickstoff und Sauerstoff. Die Sauerstoffkonzentration in dem Messgas bezogen auf Stickstoff wurde auf einen konstanten Wert (5000 ppm) gesetzt. Die Methankonzentration (CH₄), die Ethankonzentration (C₂H₆), die Propylenkonzentration (C₃H₆), die Ethylenkonzentration (C₂H₄) oder die Butankonzentration (C₄H₁₀) in dem Messgas wurde zwischen 0 und 500 ppm bezogen auf die Stickstoffkonzentration darin variiert.
Das Messgas wurde in die Messgaskammer 7 des Gassensors 1C eingeleitet und der Sauerstoffionenstrom in der Sensorzelle 4 wurde als ein Sensorzellenstrom (µA) gemessen.
Fig. 12 zeigt die Beziehung zwischen dem gemessenen Sensorzellenstrom, der Methankonzentration (CH₄), der Ethankonzentration (C₂H₆), der Propylenkonzentration (C₃H₆), der Ethylenkonzentration (C₂H₄) und der Butankonzentration (C₄H₁₀), die durch die Versuche an dem Gassensor 1C erhalten wurde. Wie aus Fig. 11 offensichtlich ist, hat der Gassensor 1C hohe Empfindlichkeiten bezüglich von Methan verschiedener Kohlenwasserstoffe.
Fig. 13 zeigt einen Gassensor 1D gemäß einer sechsten speziellen Ausführungsform dieser Erfindung. Der Gassensor 1D ist ähnlich zu dem Gassensor 1 (Fig. 2), abgesehen von hiernach genannten Konstruktionsänderungen.
Wie in Fig. 13 gezeigt, schließt der Gassensor 1D eine Sauerstoffpumpzelle 2 und eine Sensorzelle 4 ein. Die Sauerstoffpumpzelle 2 dient zudem als eine Sauerstoffkontrollzelle. Ein Abstandshalter 800 ist über der oberen Oberfläche des Abstandshalters 8 angeordnet. Eine Messgaskammer 75 ist zwischen dem Abstandshalter 800, dem Abstandshalter 8 und dem Festelektrolytelement 6 festgelegt. Der Abstandshalter 800 hat ein kleines Loch 11, durch das ein Messgas in die Messgas-Kammer 75 eingeleitet wird.
Die Sauerstoffpumpzelle 2 hat ein Festelektrolytelement 6 und die Elektroden 21 und 22. Das Festelektrolytelement 6 ist zwischen den Elektroden 21 und 22 sandwichartig angeordnet. Die Elektrode 21 liegt in der Messgas-Kammer 75 frei. Die Elektrode 22 liegt in der Referenzgas-Kammer 100 frei.
Die Sensorzelle 4 hat das Festelektrolytelement 6 und die Elektroden 41 und 42. Das Festelektrolytelement 6 ist zwischen den Elektroden 41 und 42 sandwichartig angeordnet. Die Elektrode 41 liegt in der Messgas-Kammer 75 frei. Die Elektrode 42 liegt in einer Referenzgas- Kammer 100 frei.
Fig. 14 zeigt einen Gassensor 1E gemäß einer siebten speziellen Ausführungsform dieser Erfindung. Der Gassensor 1E ist ähnlich zu dem Gassensor 1A (Fig. 9), abgesehen von hiernach genannten Konstruktionsänderungen.
Wie in Fig. 14 gezeigt schließt der Gassensor 1E eine Sauerstoffpumpzelle 2 und eine Sensorzelle 4 ein. Die Sauerstoffpumpzelle 2 dient zudem als eine Sauerstoffkontrollzelle. Der Gassensor 1E hat eine Messgas-Kammer 75, in die ein Messgas eingeleitet wird.
Die Messgas-Kammer 75 ist zwischen dem Festelektrolytelement 5, dem Abstandshalter 8 und dem Festelektrolytelement 6 festgelegt.
Die Sauerstoffpumpzelle 2 hat das Festelektrolytelement 6 und die Elektroden 21 und 22. Das Festelektrolytelement 6 ist zwischen den Elektroden 21 und 22 sandwichartig angeordnet. Die Elektrode 21 liegt in der Messgas-Kammer 75 frei. Die Elektrode 22 liegt in der Referenzgas-Kammer 100 frei.
Die Sensorzelle 4 hat das Festelektrolytelement 5 und die Elektroden 41 und 42. Das Festelektrolytelement 5 ist zwischen den Elektroden 41 und 42 sandwichartig angeordnet. Die Elektrode 41 liegt in der Messgas-Kammer 75 frei. Die Elektrode 42 liegt in einer Referenzgas- Kammer 102 frei.
Ein Gassensor schließt eine Messgas-Kammer ein, in die ein Messgas eingeleitet wird. Eine Sauerstoffpumpzelle stellt eine Sauerstoffkonzentration in der Messgas-Kammer ein. Eine Sauerstoffkontrollzelle hat eine Kontrollelektrode, die in der Messgas-Kammer freiliegt. Die Kontrollelektrode hat eine oxidierende Wirkung in Bezug auf eine spezifische Komponente des Messgases. Eine Sensorzelle hat eine Sensorelektrode, die in der Messgas-Kammer freiliegt. Die Sensorelektrode hat eine oxidierende Wirkung in Bezug auf eine spezifische Komponente des Messgases, die geringer ist als die oxidierende Wirkung der Kontrollelektrode. Ein Sauerstoffionenstrom in der Sauerstoffkontrollzelle wird ermittelt. Ein Sauerstoffionenstrom in der Sensorzelle wird ermittelt. Eine Konzentration der spezifischen Komponente des Messgases wird aus einer Beziehung zwischen den ermittelten Sauerstoffionenströmen in der Sauerstoffkontrollzelle und in der Sensorzelle ermittelt.

Claims

1. Gassensor umfassend:
eine Messgas-Kammer;
erste Vorrichtung zum Einleiten eines Messgases in die Messgas-Kammer unter einem vorgeschriebenen Diffusionswiderstand;
eine Sauerstoffpumpzelle zum Einstellen einer Sauerstoffkonzentration in der Messgas-Kammer, wobei die Sauerstoffpumpzelle 1) ein erstes Festelektrolytelement, 2) eine erste Pumpelektrode und 3) eine zweite Pumpelektrode hat, das erste Festelektrolytelement eine
Sauerstoffionenleitfähigkeit hat, die erste Pumpelektrode in der Messgas-Kammer freiliegt und sich auf einer ersten Oberfläche des ersten Festelektrolytelements erstreckt, die zweite Pumpelektrode sich auf einer zweiten Oberfläche des ersten Festelektrolytelements erstreckt und von der Messgas-Kammer getrennt ist;
eine zweite Vorrichtung zum Anlegen einer Spannung zwischen der ersten und zweiten Pumpelektrode, um die Sauerstoffpumpzelle zu aktivieren;
eine Sauerstoffkontrollzelle mit 1) einem zweiten Festelektrolytelement, 2) einer ersten Kontrollelektrode und 3) einer zweiten Kontrollelektrode, wobei das zweite Festelektrolytelement eine Sauerstoffionenleitfähigkeit hat, die erste Kontrollelektrode in der Messgas-Kammer freiliegt und sich auf einer ersten Oberfläche des zweiten Festelektrolytelements erstreckt, die erste Kontrollelektrode eine oxidierende Wirkung im Bezug auf eine spezifische Komponente des Messgases hat, die zweite Kontrollelektrode einem Referenzgas ausgesetzt ist und sich auf einer zweiten Oberfläche des zweiten Festelektrolytelements erstreckt;
eine Sensorzelle mit 1) einem dritten Festelektrolytelement, 2) einer ersten Sensorelektrode und 3) einer zweiten Sensorelektrode, wobei das dritte Festelektrolytelement eine Sauerstoffionenleitfähigkeit hat, die erste Sensorelektrode in der Messgas-Kammer freiliegt und sich auf einer ersten Oberfläche des dritten Festelektrolytelements erstreckt, die erste Sensorelektrode eine oxidierende Wirkung im Bezug auf die spezifische Komponente des Messgases hat, die geringer ist als die oxidierende Wirkung der ersten Kontrollelektrode, die zweite Sensorelektrode dem Referenzgas ausgesetzt ist und sich auf einer zweiten Oberfläche des dritten Festelektrolytelements erstreckt;
eine dritte Vorrichtung zum Anlegen einer Spannung zwischen der ersten und zweiten Kontrollelektrode;
eine vierte Vorrichtung zum Ermitteln eines Sauerstoffionenstroms in der Sauerstoffkontrollzelle, wenn die dritte Vorrichtung die Spannung zwischen der ersten und zweiten Kontrollelektrode anlegt;
eine fünfte Vorrichtung zum Anlegen einer Spannung zwischen der ersten und zweiten Sensorelektrode;
eine sechste Vorrichtung zum Ermitteln eines Sauerstoffionenstroms in der Sensorzelle, wenn die fünfte Vorrichtung die Spannung zwischen der ersten und zweiten Sensorelektrode anlegt; und
eine siebte Vorrichtung zum Ermitteln einer Konzentration der spezifischen Komponente des Messgases aus einer Beziehung zwischen den durch die vierte und sechste Vorrichtung ermittelten Sauerstoffionenströmen.

2. Gassensor nach Anspruch 1, wobei die siebte Vorrichtung Vorrichtungen zum Ermitteln der Konzentration der spezifischen Komponente des Messgases aus einem Unterschied zwischen den durch die vierte und sechste Vorrichtung ermittelten Sauerstoffionenströmen umfasst.

3. Gassensor nach Anspruch 1, der des weiteren eine achte Vorrichtung zum Kontrollieren der Spannung zwischen der ersten und zweiten Pumpelektrode in Reaktion auf den durch die vierte Vorrichtung ermittelten Sauerstoffionenstrom umfasst, so dass der durch die vierte Vorrichtung ermittelte Sauerstoffionenstrom bei einem gewünschten Wert gehalten werden wird.

4. Gassensor nach Anspruch 1, wobei die spezifische Komponente des Messgases Kohlenwasserstoff umfasst.

5. Gassensor nach Anspruch 4, wobei die erste Kontrollelektrode eine größere oxidierende Wirkung im Bezug auf Kohlenwasserstoff hat als die erste Sensorelektrode.

6. Gassensor nach Anspruch 4, wobei die erste Kontrollelektrode eine größere oxidierende Wirkung im Bezug auf von Methan verschiedenem Kohlenwasserstoff hat als die erste Sensorelektrode.

7. Gassensor nach Anspruch 4, wobei die erste Kontrollelektrode Kohlenwasserstoff oxidiert.

8. Gassensor nach Anspruch 7, der des weiteren eine achte Vorrichtung zum Kontrollieren der Sauerstoffpumpzelle umfasst, um eine Sauerstoffkonzentration, die aus der Reaktion zwischen Kohlenwasserstoff und Sauerstoff an der ersten Kontrollzelle resultiert, bei einem konstanten Wert zu halten, wobei die erste Kontrollelektrode eine größere oxidierende Wirkung im Bezug auf Kohlenwasserstoff hat als die erste Sensorelektrode, und wobei die siebte Vorrichtung Vorrichtungen zum Ermitteln der Kohlenwasserstoffkonzentration in dem Messgas aus einem Unterschied zwischen den durch die vierte und sechste Vorrichtung ermittelten Sauerstoffionenströmen umfasst.

9. Gassensor nach Anspruch 4, wobei die erste Sensorelektrode eine geringere oxidierende Wirkung im Bezug auf Kohlenwasserstoff einschließlich Methan hat als die erste Kontrollelektrode.

10. Gassensor nach Anspruch 4, wobei die erste Sensorelektrode eine geringere oxidierende Wirkung im Bezug auf von Methan verschiedenem Kohlenwasserstoff hat als die erste Kontrollelektrode.

11. Gassensor nach Anspruch 5, wobei die erste Kontrollelektrode und die erste Sensorelektrode einen unterschiedlichen Sauerstoffabsorptionsgrad haben, um so in der oxidierenden Wirkung im Bezug auf Kohlenwasserstoff unterschiedlich zu sein.

12. Gassensor nach Anspruch 4, wobei sowohl die erste Kontrollelektrode als auch die erste Sensorelektrode wenigstens ein Element aus Pt, Pd, Rh und Au als eine Haupt-Metallkomponente enthalten und zudem wenigstens ein Element aus Ti, Ta, Nb, Al, W, Mo, Cr, Mn, Fe, Co, Ni und Zr enthalten.

13. Gassensor nach Anspruch 12, wobei die erste Kontrollelektrode ein Elektrodenmaterial umfasst, das 99-80 Gew.-% Pt und 1-20 Gew.-% Au enthält, und die erste Sensorelektrode entweder ein Elektrodenmaterial, das 99-80 Gew.-% Pt und 1-20 Gew.-% TiO₂ enthält, oder ein Elektrodenmaterial, das 99-80 Gew.-% Pd und 1-20 Gew.-% TiO₂ enthält, umfasst.

14. In einem Gassensor umfassend eine Messgas-Kammer, eine Sauerstoffpumpzelle mit einer in der Messgas-Kammer freiliegenden Pumpelektrode, einer Sauerstoffkontrollzelle mit einer in der Messgas-Kammer freiliegenden Kontrollelektrode, die eine oxidierende Wirkung im Bezug auf eine spezifische Komponente eines Messgases hat, und eine Sensorzelle mit einer in der Messgas-Kammer freiliegenden Sensorelektrode, die eine oxidierende Wirkung im Bezug auf die spezifische Komponente des Messgases hat, wobei die oxidierende Wirkung der Sensorelektrode niedriger ist als die der Kontrollelektrode, umfasst ein Verfahren zum Ermitteln einer Gaskonzentration die Schritte:
Einleiten des Messgases in die Messgas-Kammer unter einem vorgeschriebenen Diffusionswiderstand;
Anlegen einer Spannung an die Sauerstoffkontrollzelle; Anlegen einer Spannung an die Sensorzelle;
Ermitteln eines Sauerstoffionenstroms in der Sauerstoffkontrollzelle;
Ermitteln einer Sauerstoffkonzentration in der Messgas-Kammer aus dem ermittelten Sauerstoffionenstrom in der Sauerstoffkontrollzelle;
Anlegen einer Spannung an die Sauerstoffpumpzelle; Kontrollieren der an die Sauerstoffpumpzelle angelegten Spannung in Reaktion auf die ermittelte Sauerstoffkonzentration in der Messgas-Kammer, um die Sauerstoffkonzentration in der Messgas-Kammer einzustellen;
Ermitteln eines Sauerstoffionenstroms in der Sensorzelle; und
Ermitteln einer Konzentration der spezifischen Komponente des Messgases aus einer Beziehung zwischen dem ermittelten Sauerstoffionenstrom in der Sauerstoffkontrollzelle und dem ermittelten Sauerstoffionenstrom in der Sensorzelle.

15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei der konzentrationsermittelnde Schritt einen Schritt umfasst des Ermittelns der Konzentration der spezifischen Komponente des Messgases aus einem Unterschied zwischen dem ermittelten Sauerstoffionenstrom in der Sauerstoffkontrollzelle und dem ermittelten Sauerstoffionenstrom in der Sensorzelle.

16. Verfahren nach Anspruch 14, das des weiteren einen Schritt umfasst des Kontrollierens der an die Sauerstoffpumpzelle angelegten Spannung in Reaktion auf den ermittelten Sauerstoffionenstrom in der Sauerstoffkontrollzelle, so dass der ermittelte Sauerstoffionenstrom in der Sauerstoffkontrollzelle bei einem gewünschten Wert gehalten werden wird.

17. Verfahren nach Anspruch 14, wobei die spezifische Komponente des Messgases Kohlenwasserstoff umfasst.

18. Gassensor umfassend:
eine Messgas-Kammer;
eine erste Vorrichtung zum Einleiten eines Messgases in die Messgas-Kammer unter einem vorgeschriebenen Diffusionswiderstand;
eine Sauerstoffpumpzelle zum Einstellen einer Sauerstoffkonzentration in der Messgas-Kammer, wobei die Sauerstoffpumpzelle 1) ein erstes Festelektrolytelement, 2) eine erste Pumpelektrode und 3) eine zweite Pumpelektrode hat, das erste Festelektrolytelement eine Sauerstoffionenleitfähigkeit hat, die erste Pumpelektrode in der Messgas-Kammer freiliegt und sich auf einer ersten Oberfläche des ersten Festelektrolytelements erstreckt, die erste Pumpelektrode eine oxidierende Wirkung im Bezug auf eine spezifische Komponente des Messgases hat, die zweite Pumpelektrode sich auf einer zweiten Oberfläche des ersten Festelektrolytelements erstreckt und von der Messgas-Kammer getrennt ist;
eine zweite Vorrichtung zum Anlegen einer Spannung zwischen der ersten und zweiten Pumpelektrode, um die Sauerstoffpumpzelle zu aktivieren;
eine Sensorzelle mit 1) einem zweiten Festelektrolytelement, 2) einer ersten Sensorelektrode und 3) einer zweiten Sensorelektrode, wobei das zweite Festelektrolytelement eine Sauerstoffionenleitfähigkeit hat, die erste Sensorelektrode in der Messgas-Kammer freiliegt und sich auf einer ersten Oberfläche des zweiten Festelektrolytelements erstreckt, die erste Sensorelektrode eine oxidierende Wirkung im Bezug auf die spezifische Komponente des Messgases hat, die geringer ist als die oxidierende Wirkung der ersten Pumpelektrode, die zweite Sensorelektrode einem Referenzgas ausgesetzt ist und sich auf einer zweiten Oberfläche des zweiten Festelektrolytelements erstreckt;
eine dritte Vorrichtung zum Ermitteln eines Sauerstoffionenstroms in der Sauerstoffpumpzelle, wenn die zweite Vorrichtung die Spannung zwischen der ersten und zweiten Pumpelektrode anlegt;
eine vierte Vorrichtung zum Anlegen einer Spannung zwischen der ersten und zweiten Sensorelektrode;
eine fünfte Vorrichtung zum Ermitteln eines Sauerstoffionenstroms in der Sensorzelle, wenn die vierte Vorrichtung die Spannung zwischen der ersten und zweiten Sensorelektrode anlegt; und
eine sechste Vorrichtung zum Ermitteln einer Konzentration der spezifischen Komponente des Messgases aus einer Beziehung zwischen den durch die dritte und fünfte Vorrichtung ermittelten Sauerstoffionenströmen.

19. Gassensor nach Anspruch 18, der des weiteren eine siebte Vorrichtung umfasst zum Einregeln der Sauerstoffkonzentration in der Messgas-Kammer auf einen konstanten Wert in Reaktion auf eine Beziehung zwischen der zwischen der ersten und zweiten Pumpelektrode angelegten Spannung und dem durch die dritte Vorrichtung ermittelten Sauerstoffionenstrom, wobei die sechste Vorrichtung Vorrichtungen zum Ermitteln der Konzentration der spezifischen Komponente des Messgases aus dem durch die dritte Vorrichtung ermittelten Sauerstoffionenstroms umfasst.

20. Gassensor nach Anspruch 18, wobei die spezifische Komponente des Messgases Kohlenwasserstoff umfasst.

21. Gassensor nach Anspruch 20, wobei die erste Pumpelektrode eine größere oxidierende Wirkung im Bezug auf Kohlenwasserstoff hat als die erste Sensorelektrode.

22. Gassensor nach Anspruch 20, wobei die erste Pumpelektrode eine größere oxidierende Wirkung im Bezug auf von Methan verschiedenem Kohlenwasserstoff hat als die erste Sensorelektrode.

23. In einem Gassensor umfassend eine Messgas-Kammer, eine Sauerstoffpumpzelle mit einer in der Messgas-Kammer freiliegenden Pumpelektrode, die eine oxidierende Wirkung im Bezug auf eine spezifische Komponente eines Messgases hat, und eine Sensorzelle mit einer in der Messgas-Kammer freiliegenden Sensorelektrode, die eine oxidierende Wirkung im Bezug auf die spezifische Komponente des Messgases hat, wobei die oxidierende Wirkung der Sensorelektrode niedriger ist als die der Pumpelektrode, umfasst ein Verfahren zum Ermitteln einer Gaskonzentration die die Schritte:
Einleiten des Messgases in die Messgas-Kammer unter einem vorgeschriebenen Diffusionswiderstand;
Anlegen einer Spannung an die Sauerstoffpumpzelle; Anlegen einer Spannung an die Sensorzelle;
Ermitteln eines Sauerstoffionenstroms in der Sauerstoffpumpzelle;
Ermitteln eines Sauerstoffionenstroms in der Sensorzelle; und
Ermitteln einer Konzentration der spezifischen Komponente des Messgases aus einer Beziehung zwischen dem ermittelten Sauerstoffionenstrom in der Sauerstoffpumpzelle und dem ermittelten Sauerstoffionenstrom in der Sensorzelle.

24. Verfahren nach Anspruch 23, das des weiteren den Schritt umfasst des Einregelns der Sauerstoffkonzentration in der Messgas-Kammer auf einen konstanten Wert in Reaktion auf eine Beziehung zwischen der an die Sauerstoffpumpzelle angelegten Spannung und dem ermittelten Sauerstoffionenstrom in der Sauerstoffpumpzelle, wobei der konzentrationsermittelnde Schritt den Schritt umfasst des Ermittelns der Konzentration der spezifischen Komponente des Messgases aus dem ermittelten Sauerstoffionenstrom in der Sensorzelle.

25. Verfahren nach Anspruch 23, wobei die spezifische Komponente des Messgases Kohlenwasserstoff umfasst.