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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine NOx-Meßvorrichtung und genauer eine NOx-Meßvorrichtung, die an einem Fahrzeug angebracht ist und dazu geeignet ist, die NOx-Konzentration (Stickoxidkonzentration) des Abgases eines Verbrennungsmotors zu messen.
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Stand der Technik
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Im Patentdokument 1 (
Japanische Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift Nr. 2001-141696 ) wird eine NOx-Meßvorrichtung vorgeschlagen, bei der zum Zeitpunkt des Anlaufens des Sensors eine zweite Steuerspannung, die höher als eine erste Steuerspannung für den normalen Betrieb ist, für einen vorherbestimmten Zeitraum über eine NOx-Sensorzelle angelegt wird, um Sauerstoff, der an der negativen Elektrode der NOx-Sensorzelle adsorbiert ist, zu entfernen, wodurch eine Stabilisierungszeit, die die Sensorzelle vor dem Beginn des ordnungsgemäßen Betriebs benötigt, verkürzt wird.
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Patentdokument 1
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Japanische Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift Nr. 2001-141696
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Kurzdarstellung der Offenbarung
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Wenn eine hohe Spannung über eine NOx-Sensorzelle angelegt wird, können jedoch die Elektroden und die Festelektrolytschichten, die die Zelle bilden, beschädigt werden. Nebenbei bemerkt ist eine Batterie, die eine Spannung von etwa 12 bis 14 Volt ausgibt, am Fahrzeug angebracht. Daher wird die Batteriespannung nach der allgemeinen Vorgangsweise auf eine vorherbestimmte Spannung verringert und die vorherbestimmte Spannung über eine NOx-Sensorzelle angelegt. Die oben beschriebene
japanische Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift Nr. 2001-141696 offenbart jedoch keinerlei Verfahren zum Erzeugen einer derartigen Spannung zum Anlegen über die NOx-Sensorzelle.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, eine NOx-Meßvorrichtung bereitzustellen, die durch Verwendung eines einfachen und billigen Aufbaus den Zeitraum, bevor die Vorrichtung mit dem stabilen Betrieb beginnt, verkürzen kann, während die Sicherheit eines Sensorelements sichergestellt wird. Weitere Aufgaben werden aus der gesamten Offenbarung einschließlich der Ansprüche und Zeichnungen ersichtlich werden.
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Es folgt eine Beschreibung des Grundsatzes der vorliegenden Erfindung. Wenn eine hohe Spannung über eine Stickoxidfeststellzelle des NOx-Sensorelements, das einen Festelektrolyt verwendet, angelegt wird, gestattet der Festelektrolyt, der die Zelle bildet, einen Fluß des im Festelektrolyt selbst enthaltenen Sauerstoffs, wodurch der Festelektrolyt geschwärzt oder metallisiert (desoxidiert) wird. Die Erscheinung des Schwärzens des Festelektrolyts wird ”Schwärzung” genannt.
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Eine Batterie mit etwa 12 bis 14 Volt ist an einem gewöhnlichen Fahrzeug angebracht. Herkömmlich wird die Batteriespannung, die von der Batterie geliefert wird, verringert, um eine vorherbestimmte Spannung zu erzeugen, die über eine Stickoxidfeststellzelle angelegt werden soll. Daher weist eine herkömmliche NOx-Meßvorrichtung einen besonderen Schaltkreis zum Erzeugen einer vorherbestimmten Spannung, die über die Stickoxidfeststellzelle angelegt werden soll, auf.
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Wenn eine Messung unter Verwendung der oben angeführten NOx-Meßvorrichtung durchgeführt wird, wird das oben beschriebene NOx-Sensorelement nebenbei bemerkt zuerst erhitzt, damit der oben angeführte Festelektrolyt einen ausreichenden Grad an Sauerstoffionenleitfähigkeit zeigt. Dieser Prozeß wird ”Aktivierung” genannt.
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Vor dem Beginn der Messung wird ein Gas, das die gleiche Zusammensetzung wie die Atmosphäre aufweist, höchstwahrscheinlich in einem Flußdurchgang, der im NOx-Sensorelement bereitgestellt ist, zurückbleiben. Das heißt, ein Gas, das eine Sauerstoffkonzentration von 20,9% aufweist, kann im Flußdurchgang zurückbleiben. Um die Konzentration der Stickoxide genau zu messen, muß der Sauerstoffteildruck innerhalb des Flußdurchgangs auf ein ausreichendes Maß verringert werden. Um die Messung rasch zu beginnen, ist es ferner während eines Zeitraums für die oben beschriebene Aktivierung notwendig, nicht nur die NOx-Sensorzelle zu erhitzen, sondern auch die mögliche höchste Spannung über die Stickoxidfeststellzelle anzulegen, um dadurch Sauerstoff aus dem Flußdurchgang oder einer Stickoxidkonzentrationsmeßkammer zu pumpen.
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Unmittelbar nach dem Beginn der Aktivierung bleibt die Temperatur des Festelektrolyts gering und weist die Stickoxidfeststellzelle daher einen hohen inneren Widerstand auf. Sogar wenn die Größe des Stroms, der durch die Stickoxidfeststellzelle fließt, gering ist, wird daher die Spannung, die über die Stickoxidfeststellzelle angelegt wird, aufgrund des hohen inneren Widerstands der Stickoxidfeststellzelle übermäßig hoch, was die Möglichkeit des Auftretens einer Schwärzung erhöht.
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Angesichts des Obigen kann zur Verhinderung des Anlegens einer hohen Spannung über die Stickoxidfeststellzelle ein Schema eingesetzt werden, bei dem anstelle der Spannung (üblicherweise 12 Volt) einer an einem Fahrzeug angebrachten Batterie eine Stromquelle von beispielsweise 5 Volt in Verbindung mit einem gewöhnlichen Operationsverstärker verwendet wird, um eine Spannung zu erzeugen, die über die Stickoxidfeststellzelle angelegt werden soll. Ein gewöhnlicher Operationsverstärker, dessen Stromquellenspannung 5 Volt beträgt, weist jedoch einen engen Ausgangsspannungsbereich von 1,5 bis 3,5 Volt auf und kann insbesondere zum Zeitpunkt der Aktivierung keine ausreichend hohe Spannung über die Stickoxidfeststellzelle anlegen. Daher tritt das Problem auf, daß zum Beginn der Messung ein langer Zeitraum benötigt wird. Wenn eine derartige NOx-Meßvorrichtung zur Messung der Stickoxidkonzentration des Abgases eines Fahrzeugs verwendet würde, würde das Problem auftreten, daß das sogenannte ”Wegbrennen” langsam vor sich geht (im allgemeinen ist das Bezugspotential eines Sensors auf 2 bis 3 Volt festgesetzt, um einen positiven oder negativen Fluß eines ersten Sauerstoffpumpenstroms (Ip1)) je nachdem, ob das Abgas mager oder fett ist, zu verursachen. In einem solchen Fall nimmt der Potentialunterschied, der an den Sensor angelegt werden kann, weiter ab).
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Darüber hinaus tritt dann, wenn ein ”Schiene-Schiene”-Operationsuerstärker, der einen breiten Ausgangsspannungsbereich aufweist, als Mittel zum Erzeugen von Spannung, die über eine Stickoxidfeststellzelle angelegt werden soll, verwendet wird, das Problem auf, daß ein derartiger ”Schiene-Schiene”-Operationsuerstärker sehr teuer ist.
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Eine NOx-Meßvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung beinhaltet ein Klammermittel, das zwischen der Stickoxidfeststellzelle und einem Mittel zum Erzeugen einer Spannung, die über die Stickoxidfeststellzelle angelegt werden soll, angeordnet ist, und das die über die Stickoxidfeststellzelle angelegte Spannung an eine Spannung klammert, die vor dem Beginn der Messung über die Stickoxidfeststellzelle angelegt werden soll und höher als eine vorherbestimmte Spannung ist, die während der Messung über die Stickoxidfeststellzelle angelegt werden soll. Dieser Aufbau ermöglicht das Anlegen einer optimalen Spannung während der Aktivierung eines NOx-Sensorelements oder unmittelbar nach der Aktivierung über die Stickoxidfeststellzelle, wobei die optimale Spannung höher als eine vorherbestimmte Spannung ist, die während der gewöhnlichen Messung über die Stickoxidfeststellzelle angelegt wird, aber keine Beschädigung der Zelle verursacht. Das in der NOx-Meßvorrichtung bereitgestellte Klammermittel ermöglicht einen Betrieb des sicheren Anlegens der möglichen höchsten Spannung an die Stickoxidfeststellzelle, um dadurch Sauerstoff so rasch wie möglich aus dem Flußdurchgang zu entfernen. Daher kann die Wartezeit vor dem Beginn der Messung verkürzt werden. Wenn die NOx-Meßvorrichtung der vorliegenden Erfindung auf die Messung der Stickoxidkonzentration von Abgas eines Fahrzeugs angewendet wird, kann demgemäß das Wegbrennen beschleunigt werden. Wenn die NOx-Meßvorrichtung der vorliegenden Erfindung auf die Messung der Stickoxidkonzentration von Abgas eines Fahrzeugs angewendet wird, kann zudem eine bestehende Batterie am Fahrzeug, z. B. eine 12-Volt-Batterie, als Stromquelle zum Erzeugen der Spannung, die über die Stickoxidfeststellzelle angelegt werden soll, verwendet werden. Daher kann die Notwendigkeit des Bereitstellens einer gesonderten Stromquelle mit niedriger Spannung wie etwa eine 5-Volt-Stromquelle und des Bereitstellens eines besonderen Schaltkreises zum Betreiben eines 5-Volt-Operationsverstärkers beseitigt werden. Darüber hinaus macht die vorliegende Erfindung einen teuren ”Schiene-Schiene”-Operationsverstärker unnötig.
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Nach einem ersten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird eine NOx-Meßvorrichtung bereitgestellt, die ein NOx-Sensorelement umfaßt. Das NOx-Sensorelement beinhaltet einen Flußdurchgang, in den ein Analytgas eingebracht wird; eine Sauerstoffteildruckfeststellzelle zum Feststellen der Sauerstoffkonzentration des in den Flußdurchgang eingebrachten Analytgases; eine erste Sauerstoffpumpenzelle, um auf Basis der Sauerstoffkonzentration, die durch die Sauerstoffteildruckfeststellzelle festgestellt wurde, Sauerstoff aus dem Inneren des Flußdurchgangs zum Äußeren des Flußdurchgangs zu pumpen, oder Sauerstoff vom Äußeren des Flußdurchgangs ins Innere des Flußdurchgangs zu pumpen, damit ein Strom, der der Sauerstoffkonzentration des in den Flußdurchgang eingebrachten Gases entspricht, durch die erste Sauerstoffpumpenzelle fließt; und eine zweite Sauerstoffpumpenzelle, zu der das Analytgas, das eine durch die erste Sauerstoffpumpenzelle gesteuerte Sauerstoffkonzentration aufweist, fließt, und die die Stickoxide im Gas abbaut und ein Wandern des von den Stickoxiden abgetrennten Sauerstoffs veranlaßt, wobei eine vorherbestimmte Spannung über die zweite Sauerstoffpumpenzelle angelegt wird und die Stickoxidkonzentration des Analytgases auf Basis von Strom, der durch die zweite Sauerstoffpumpenzelle fließt, gemessen wird.
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Die NOx-Meßvorrichtung ist durch Folgendes gekennzeichnet:
- (1) ein zwischen der zweiten Sauerstoffpumpenzelle und einer Stromquelle angeschlossenes Spannungserzeugungsmittel, um aus einer Spannung, die von der Stromquelle geliefert wird, eine Spannung, die über die zweite Sauerstoffpumpenzelle angelegt werden soll, zu erzeugen; und
- (2) ein zwischen dem Spannungserzeugungsmittel und der zweiten Sauerstoffpumpenzelle angeschlossenes Klammermittel, um die über die zweite Sauerstoffpumpenzelle angelegte Spannung an eine vorherbestimmte Spannung zu klammern, welche höher als eine vorherbestimmte Meßspannung ist, die während der Messung über die zweite Sauerstoffpumpenzelle angelegt werden soll, aber nicht höher als eine Spannung ist, die von der Stromquelle geliefert wird.
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Nach einem zweiten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird eine NOx-Meßvorrichtung bereitgestellt, die ein NOx-Meßelement umfaßt, welches wiederum Folgendes beinhaltet: eine erste Meßkammer, in die ein Analytgas über einen ersten Diffusionswiderstand eingebracht wird; eine Sauerstoffteildruckfeststellzelle, die zwei Elektroden aufweist, welche am Inneren bzw. am Äußeren der ersten Meßkammer bereitgestellt sind und dazu geeignet sind, die Sauerstoffkonzentration des Analytgases in der ersten Meßkammer auf Basis eines Potentialunterschieds zwischen den Elektroden der Sauerstoffteildruckfeststellzelle festzustellen; eine erste Sauerstoffpumpenzelle, die zwei Elektroden aufweist, welche am Inneren bzw. am Äußeren der ersten Meßkammer bereitgestellt sind und dazu geeignet sind, durch die Elektroden der ersten Sauerstoffpumpenzelle Sauerstoff aus dem inneren der ersten Meßkammer zum Äußeren der ersten Meßkammer zu pumpen, oder Sauerstoff vom Äußeren der ersten Meßkammer ins Innere der ersten Meßkammer zu pumpen, wobei ein Strom (in der Folge als ”erster Sauerstoffpumpenstrom” bezeichnet), der der Sauerstoffkonzentration des Analytgases entspricht, zwischen den Elektroden der ersten Sauerstoffpumpenzelle fließt; eine zweite Meßkammer, in die das Analytgas von der ersten Meßkammer über einen zweiten Diffusionswiderstand eingebracht wird; und eine zweite Sauerstoffpumpenzelle, die zwei Elektroden aufweist, welche am inneren bzw. am Äußeren der zweiten Meßkammer bereitgestellt sind und dazu geeignet sind, Stickoxide in der zweiten Meßkammer abzubauen und ein Wandern von Sauerstoff, der von den Stickoxiden abgetrennt wurde, zu verursachen, wobei ein Strom (in der Folge als ”zweiter Sauerstoffpumpenstrom” bezeichnet), der der NOx-Konzentration des Analylgases entspricht, über die Elektroden der zweiten Sauerstoffpumpenzelle fließt. Die NOx-Meßvorrichtung umfaßt ferner ein Steuermittel für die Sauerstoffteildruckfeststellzelle, um die Sauerstoffkonzentration an der außenseitigen Elektrode der Sauerstoffteildruckfeststellzelle zu steuern; ein Steuermittel für die erste Sauerstoffpumpenzelle, um den ersten Sauerstoffpumpenstrom durch ein Anlegen einer vorherbestimmten Spannung über die erste Sauerstoffpumpenzelle auf Basis eines Feststellsignalausgangs von der Sauerstoffteildruckfeststellzelle zu steuern, um dadurch die Sauerstoffkonzentration innerhalb der ersten Meßkammer zu steuern; ein Steuermittel für die zweite Sauerstoffpumpenzelle, um eine vorherbestimmte Meßspannung über die zweite Sauerstoffpumpenzelle anzulegen, um die zweite Sauerstoffpumpenzelle in einer solchen Weise zu steuern, daß ein zweiter Sauerstoffpumpenstrom, der der NOx-Konzentration entspricht, durch die zweite Sauerstoffpumpenzelle fließt; ein Aktivierungsmittel zum Anlegen einer hohen Spannung über die zweite Sauerstoffpumpenzelle, wenn die zweite Sauerstoffpumpenzelle aktiviert werden soll, wobei die hohe Spannung höher als die vorherbestimmte Spannung ist, die während der gewöhnlichen Messung über die zweite Sauerstoffpumpenzelle angelegt werden soll; ein Feststellmittel für den zweiten Sauerstoffpumpenstrom, um den zweiten Sauerstoffpumpenstrom festzustellen; und ein zwischen der zweiten Sauerstoffpumpenzelle und dem Steuermittel für die zweite Sauerstoffpumpenzelle und dem Aktivierungsmittel angeschlossenes Klammermittel, das dazu geeignet ist, die über die zweite Sauerstoffpumpenzelle angelegte Spannung auf eine Spannung, welche während der Aktivierung der zweiten Sauerstoffpumpenzelle über die zweite Sauerstoffpumpenzelle angelegt werden soll, (oder weniger) zu beschränken.
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Nach der vorliegenden Erfindung wird die Spannung, die über die zweite Sauerstoffpumpenzelle angelegt wird, während eines Zeitraums, in der die zweite Sauerstoffpumpenzelle aktiviert wird, durch das Klammermittel geklammert und beschränkt. Daher wird eine Beschädigung der zweiten Sauerstoffpumpenzelle verhindert und somit die Sicherheit des Sensorelements sichergestellt. Da das Klammermittel zwischen der zweiten Sauerstoffpumpenzelle und dem Steuermittel für die zweite Sauerstoffpumpenzelle zum Antreiben der zweiten Sauerstoffpumpenzelle angeschlossen ist, kann zudem eine Spannung, die höher als die Aktivierungsspannung ist, welche während der Aktivierung über die zweite Sauerstoffpumpenzelle angelegt werden soll, als Stromquellenspannung des Steuermittels für die zweite Sauerstoffpumpenzelle verwendet werden. In einem beispielhaften Fall, in dem die Aktivierungsspannung 5 Volt beträgt, kann ein Operationsverstärker, dessen Stromquellenspannung 12 Volt (die Spannung einer Batterie, die an einem Fahrzeug angebracht ist) beträgt, anstelle eines teuren ”Schiene-Schiene”-Operationsverstärkers, welcher eine 5-Volt-Stromquelle benötigt, verwendet werden. Daher wird ein besonderer Schaltkreis zum Erzeugen einer Aktivierungsspannung von 5 Volt unnötig und können Schaltkreise wie das Steuermittel für die zweite Sauerstoffpumpenzelle einfach gestaltet werden.
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Nach einem dritten Gesichtspunkt der Erfindung wird eine NOx-Meßvorrichtung bereitgestellt, die ein NOx-Sensorelement umfaßt. Die NOx-Meßvorrichtung beinhaltet einen sauerstoffionenleitfähigen Festelektrolyt, einen Flußdurchgang, der in oder neben dem Festelektrolyt angeordnet ist und in den ein Analytgas eingebracht wird; eine Sauerstoffteildruckfeststellzelle zum Feststellen des Sauerstoffteildrucks des in den Flußdurchgang eingebrachten Analytgases; eine erste Sauerstoffpumpenzelle zum Steuern des Sauerstoffteildrucks des in den Flußdurchgang eingebrachten Analytgases durch Pumpen von Sauerstoff aus dem Inneren des Flußdurchgangs zum Äußeren des Flußdurchgangs oder durch Pumpen von Sauerstoff vom Äußeren des Flußdurchgangs zum Inneren des Flußdurchgangs auf Basis des durch die Sauerstoffteildruckfeststellzelle festgestellten Sauerstoffteildrucks; und eine Stickoxidfeststellzelle, die veranlaßt, daß abgetrennter Sauerstoff, der aus dem Abbau von Stickoxiden im Gas stammt, welches hinsichtlich des Sauerstoffteildrucks gesteuert wird, im Festelektrolyt wandert, wobei eine vorherbestimmte Spannung über die Stickoxidfeststellzelle angelegt wird und die Stickoxidkonzentration des Analytgases auf Basis eines Stroms, der durch den Festelektrolyt fließt, gemessen wird.
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Die NOx-Feststellvorrichtung ist durch Folgendes gekennzeichnet:
- (1) ein zwischen der Stickoxidfeststellzelle und einer Stromquelle angeschlossenes Spannungserzeugungsmittel, um aus einer Spannung, die von der Stromquelle geliefert wird, eine Spannung, die über die Stickoxidfeststellzelle angelegt werden soll, zu erzeugen; und
- (2) ein zwischen dem Spannungserzeugungsmittel zum Erzeugen einer Spannung, die über die Stickoxidfeststellzelle angelegt werden soll, und der Stickoxidfeststellzelle angeschlossenes Klammermittel, um stets eine über die Stickoxidfeststellzelle angelegte Überspannung zu verhindern und zu gestatten, daß während der Aktivierung des NOx-Sensorelements eine Spannung, die ausreichend höher als eine Meßspannung ist, über die Stickoxidfeststellzelle angelegt wird.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1: 1(A) bis 1(D) sind Diagramme und Kurvendarstellungen zur schematischen Erklärung des Aufbaus eines NOx-Sensorelements, das ein Bestandteil einer NOx-Meßvorrichtung nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, wie auch eines Meßprinzips.
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2; 2 ist ein Diagramm zur schematischen Erklärung eines Mittels zum Aktivieren einer zweiten Sauerstoffpumpenzelle, das bei der in 1 gezeigten NOx-Meßvorrichtung angewendet wird.
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3: 3(A) ist ein Diagramm zur schematischen Erklärung des Steuermittels für die zweiten Sauerstoffpumpenzelle, das in einer NOx-Meßvorrichtung nach Bezugsbeispiel 1 bereitgestellt ist, und 3(B) ist ein Diagramm zur schematischen Erklärung des Klammermittels und des Steuermittels für die zweite Sauerstoffpumpenzelle, die in der NOx-Meßvorrichtung nach der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bereitgestellt sind.
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4: 4 ist eine Kurvendarstellung zur Erklärung der Ergebnisse der Messung von Vp2 und Ip2, die für die NOx-Meßvorrichtung der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung (Beispiel 1), der NOx-Meßvorrichtung von Bezugsbeispiel 1 und der NOx-Meßvorrichtung von Bezugsbeispiel 2 durchgeführt wurden.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
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Eine NOx-Meßvorrichtung nach einer bevorzugten Form der vorliegenden Erfindung beinhaltet einen sauerstoffionenleitfähigen Festelektrolytkörper 15; einen Flußdurchgang (7, 5, 8, 6), der in einem Festelektrolytkörper oder neben dem Festelektrolytkörper bereitgestellt ist und in den ein Analytgas eingebracht wird; eine Sauerstoffteildruck(konzentrations)feststellzelle 3 zum Feststellen des Sauerstoffteildrucks des in den Flußdurchgang eingebrachten Analytgases; eine Sauerstoffpumpenzelle (eine erste Sauerstoffpumpenzelle 1) zum Pumpen von Sauerstoff aus dem inneren des Flußdurchgangs zum Äußeren des Flußdurchgangs oder zum Pumpen von Sauerstoff vom Äußeren des Flußdurchgangs ins Innere des Flußdurchgangs auf Basis des durch die Sauerstoffteildruckfeststellzelle festgestellten Sauerstoffteildrucks, um dadurch den Sauerstoffteildruck des in den Flußdurchgang eingebrachten Gases zu steuern; und eine Stickoxidfeststellzelle (eine zweite Sauerstoffpumpenzelle 2) zum Abbauen von Stickoxiden im Analytgas, das einen gesteuerten Sauerstoffteildruck aufweist, und zum Bewegen des abgetrennten Sauerstoffs durch den Festelektrolytkörper. Die NOx-Meßvorrichtung umfaßt ferner ein Spannungserzeugungsmittel 22b, das zwischen der Stickoxidfeststellzelle und einer Stromquelle (z. B. einer 12-Volt-Batteriestromquelle, die an einem Fahrzeug angebracht ist) angeschlossen ist und dazu geeignet ist, aus einer Spannung, die von der Stromquelle geliefert wird, eine Spannung, die über die Stickoxidfeststellzelle angelegt werden soll, zu erzeugen; und ein Klammermittel 22d, das zwischen dem Spannungserzeugungsmittel und der Stickoxidfeststellzelle angeschlossen ist und dazu geeignet ist, die über die Stickoxidfeststellzelle angelegte Spannung an eine Spannung (in der Folge als ”Aktivierungsspannung” bezeichnet) zu klammern, die während der Aktivierung des NOx-Sensorelements über die Stickoxidfeststellzelle angelegt werden soll und höher als eine vorherbestimmte Spannung (in der Folge als ”Meßspannung” bezeichnet) ist, welche während der Messung über die Stickoxidfeststellezelle angelegt werden soll. Mit anderen Worten verhindert das Klammermittel stets das Anlegen einer Überspannung über die Stickoxidfeststellzelle, wenn eine außerordentlich große Spannung im Begriff ist, über die Stickoxidfeststellzelle angelegt zu werden, während das Klammermittel während der Aktivierung des NOx-Sensorelements das Anlegen einer verglichen mit jener während der Messung ausreichend großen Spannung gestattet.
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Bevorzugter beinhaltet das Spannungserzeugungsmittel einen Verstärkungskreis 22b, der eine Stromquellenklemme zum Erhalt von Antriebsspannung von der Stromquelle (siehe eine Stromquellenklemme von 3(B), in die z. B. 12 Volt eingegeben werden), eine nichtumgekehrte Eingangsklemme (+) zum Erhalt einer veränderlich festgelegten Eingangsspannung, und eine umgekehrte Eingangsklemme (–) und eine Ausgangsklemme, die miteinander verbunden sind (siehe eine umgekehrte Eingangsklemme (–) und eine Ausgangsklemme von 3(B), die miteinander über einen Rückkopplungswiderstand elektrisch verbunden sind); und das Klammermittel beinhaltet eine Diode 22b, die mit einem Knoten zwischen der umgekehrten Eingangsklemme und der Ausgangsklemme verbunden ist und in einen leitfähigen Zustand eintritt, wenn eine Spannung, die höher als die Aktivierungsspannung ist, über die Stickoxidfeststellzelle angelegt wird, um dadurch die über die Stickoxidfeststellzelle angelegte Spannung an die Aktivierungsspannung oder weniger zu klammern und darauf zu beschränken.
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Vorzugsweise ist ein Schaltkreis zum Erzeugen der Aktivierungsspannung durch Verändern des Verstärkungsverhältnisses des Verstärkungsschaltkreises (siehe ein Aktivierungsmittel 40 von 2) zwischen der umgekehrten Eingangsklemme und der Ausgangsklemme angeschlossen.
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Vorzugsweise ist der Schaltkreis zum Erzeugen der Aktivierungsspannung in einer solchen Weise gestaltet, daß der Spannungsausgang vom Verstärkungskreis unter Berücksichtigung des Spannungsabfalls, der durch den Strom verursacht wird, welcher durch einen Feststellwiderstand 22a und einen Widerstand 22c fließt, einen Pegel annimmt, der von der Meßspannung bis zu plus etwa 2 Volt oder 3 Volt reicht. Ferner wird die oben beschriebene Eingangsspannung unmittelbar nach dem Anlegen der Aktivierungsspannung über die Stickoxidfeststellzelle (die zweite Sauerstoffpumpenzelle) in einer solchen Weise verändert, daß eine Spannung, die um 1 bis 15% höher als die Meßspannung ist, über die Stickoxidfeststellzelle angelegt wird.
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Die NOx-Meßvorrichtung der vorliegenden Erfindung wird vorteilhaft auf eine Vorrichtung zum Messen der Stickoxidkonzentration von Abgas, das von einem an einem Fahrzeug angebrachten Verbrennungsmotor ausgestoßen wird, angewendet; und eine Batteriestromquelle zum Antreiben oder Steuern des Verbrennungsmotors wird als die Stromquelle zum Antreiben des Spannungserzeugungsmittels 22b zum Erzeugen der Spannung, die über die Stickoxidfeststellzelle angelegt werden soll, verwendet.
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In der bevorzugten Form der vorliegenden Erfindung beinhaltet das zweite Sauerstoffpumpenstromfeststellmittel einen Feststellwiderstand, durch den der zweite Sauerstoffpumpenstrom fließt; und beinhaltet das Steuermittel für die zweite Sauerstoffpumpenzelle einen Operationsverstärker zum Steuern der über die zweite Sauerstoffpumpenzelle angelegten Spannung auf einen vorherbestimmten Wert; und beinhaltet das Klammermittel eine Diode (22d in 3(B)), die mit einem Knoten zwischen dem Feststellwiderstand (22a in 3(B)) und der Ausgangsklemme des Operationsverstärkers (22b in 3(B)) verbunden ist.
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Versuchsbeispiele
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Zur weiteren Klärung der oben beschriebenen bevorzugten Form der vorliegenden Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die Zeichnungen eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben werden.
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1(A) bis 1(D) sind Diagramme und Kurvendarstellungen, die verwendet werden, um den Aufbau eines NOx-Sensorelements, welches ein Bestandteil einer NOx-Meßvorrichtung nach der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, wie auch ein Meßprinzip zu erklären.
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Unter Bezugnahme auf 1(A) beinhaltet das NOx-Sensorelement hauptsächlich eine erste Sauerstoffpumpenzelle (Sauerstoffpumpenzelle) 1, eine zweite Sauerstoffpumpenzelle (Stickoxidfeststellzelle) 2, eine Sauerstoffteildruckfeststellzelle 3 und einen Heizer 4 zum Erhitzen des NOx-Sensorelements auf eine vorherbestimmte Betriebstemperatur. Eine erste Meßkammer 5 ist zwischen der ersten Sauerstoffpumpenzelle 1 und der Sauerstoffteildruckfeststellzelle 3 ausgebildet. Ein Analytgas wird durch eine erste Diffusionsöffnung 7 in die erste Meßkammer 5 eingebracht. Die erste Meßkammer 5 steht über eine zweite Diffusionsöffnung 8 mit einer zweiten Meßkammer 6 in Verbindung. Mit anderen Worten ist ein Flußdurchgang (7, 8, 5, 6) in einem Festelektrolytkörper (oder neben dem Festelektrolytkörper) bereitgestellt.
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Die erste Sauerstoffpumpenzelle 1 wird durch einen Sauerstoffionenleitfähigkeit aufweisenden Festelektrolyt wie etwa Zirconia und ein Paar von Elektroden 9, 10, die am Festelektrolyt ausgebildet sind, gebildet. Die Elektrode 10 ist so angeordnet, daß sie zur ersten Meßkammer 5 gerichtet ist, während die Elektrode 9 so angeordnet ist, daß sie zur Außenseite gerichtet ist. Sauerstoffionen, die als Ergebnis der Abtrennung von Sauerstoff usw. in der ersten Meßkammer 5 an der Elektrode 10 erzeugt werden, werden veranlaßt, durch den Festelektrolyt zu verlaufen und von der Elektrode 9 zur Außenseite zu entweichen. Strom, der zu dieser Zeit durch den Festelektrolyt fließt, dient als ein erster Sauerstoffpumpenstrom Ip1.
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Die zweite Sauerstoffpumpenzelle 2 wird durch einen Sauerstoffionenleitfähigkeit aufweisenden Festelektrolyt wie etwa Zirconia und ein Paar von Elektroden 13, 14, die am Festelektrolyt ausgebildet sind, gebildet. Die Elektrode 13 ist so angeordnet, daß sie zur zweiten Meßkammer 6 gerichtet ist, während die Elektrode 14 außerhalb der zweiten Meßkammer 6 angeordnet ist und einer Atmosphäre ausgesetzt ist, deren Sauerstoffkonzentration stabil ist. Sauerstoffionen, die als Ergebnis der Abtrennung von NOx usw. in der zweiten Meßkammer an der Elektrode 13 erzeugt werden, werden veranlaßt, durch den Festelektrolyt zu verlaufen und von der Elektrode 14 zur Außenseite zu entweichen. Strom, der zu dieser Zeit durch den Festelektrolyt fließt, dient als ein zweiter Sauerstoffpumpenstrom Ip2. In einem gewöhnlichen Meßmodus wird eine konstante Spannung über die Elektroden 13 und 14 angelegt.
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Die Sauerstoffteildruckfeststellzelle 3 wird durch einen Sauerstoffionenleitfähigkeit aufweisenden Festelektrolyt wie etwa Zirconia und ein Paar von Elektroden 11, 12, die am Festelektrolyt ausgebildet sind, gebildet. Die Elektrode 11 ist so angeordnet, daß sie zur ersten Meßkammer 5 gerichtet ist, während die Elektrode 12 einer Atmosphäre ausgesetzt ist, deren Sauerstoffkonzentration stabil ist. Daher kann die Sauerstoffkonzentration in der ersten Kammer 5; d. h., die Sauerstoffkonzentration des Analytgases, auf Basis des Potentialunterschieds, der zwischen den Elektroden 11 und 12 erzeugt wird, festgestellt werden.
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Unter Bezugnahme auf 1(A) besteht das Sensorsteuermittel aus einem Steuermittel 21 für die Sauerstoffteildruckfeststellzelle, das die Sauerstoffkonzentration in der ersten Meßkammer 5 auf Basis eines von der Sauerstoffteildruckmeßzelle 3 auftretenden Signals feststellt und die Sauerstoffkonzentration an der außerhalb der ersten Meßkammer 5 angeordneten Elektrode 12 steuert; einem Steuermittel 20 für die erste Sauerstoffpumpenzelle, das den ersten Sauerstoffpumpenstrom Ip1 auf Basis eines Feststellausgangssignals von der Sauerstoffteildruckfeststellzelle 3 steuert, um dadurch die Sauerstoffkonzentration in der ersten Meßkammer 5 bis zu einem möglichen Ausmaß konstant zu halten; und einem Steuermittel 22 für die zweiten Sauerstoffpumpenzelle, das eine Spannung über die zweite Sauerstoffpumpenzelle 2 anlegt, während es die Spannung bis zu einem möglichen Ausmaß konstant hält, um dadurch die zweite Sauerstoffpumpenzelle 2 in einer solchen Weise zu steuern, daß ein zweiter Sauerstoffpumpenstrom Ip2, der der NOx-Konzentration entspricht, durch die zweite Sauerstoffpumpenzelle 2 fließt. Der erste Sauerstoffpumpenstrom Ip1 und die Spannung Vp1, die über die erste Sauerstoffpumpenzelle 1 angelegt wird, können durch eine Messung des Stroms, der durch einen Feststellwiderstand 20a des Steuermittels 20 für die erste Sauerstoffpumpenzelle fließt, bzw. durch eine Messung der Spannung über den Feststellwiderstand 20a festgestellt werden. Der zweite Sauerstoffpumpenstrom Ip2 und die Spannung Vp2, die über die zweite Sauerstoffpumpenzelle 2 angelegt wird, können durch eine Messung des Stroms, der durch einen Feststellwiderstand 22a des Steuermittels 22 für die zweite Sauerstoffpumpenzelle fließt, bzw. durch eine Messung der Spannung über den Feststellwiderstand 22a festgestellt werden.
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2 ist ein Diagramm, das ein Mittel zum Aktivieren der zweiten Sauerstoffpumpenzelle zeigt, welches bei der in 1(A) gezeigten NOx-Meßvorrichtung angewendet wird. Unter Bezugnahme auf 2 beinhaltet ein Aktivierungsmittel 40 zum Aktivieren der zweiten Sauerstoffpumpenzelle 2 ein Schnellaktivierungsbeurteilungsmittel 30a; einen Zeitgeber 41, der als Reaktion auf ein Anweisungsausgangssignal vom Schnellaktivierungsbeurteilungsmittel 30a ein einmaliges Impulssignal ausgibt; einen Transistor 42, der mit dem Ausgang des Zeitgebers 41 verbunden ist und als Reaktion auf das einmalige Impulssignal, das als ein EIN-Signal dient, betrieben wird; und einen Integrationsschaltkreis, der aus einem Kondensator 43 und einem Widerstand 44 besteht und mit der Kollektorklemme des Transistors 42 verbunden ist. Ein Knoten zwischen dem Transistor 42 und dem Integrationsschaltkreis ist mit einer nichtumgekehrten Eingangsklemme eines Operationsverstärkers 22b verbunden. Ein Knoten zwischen dem Kondensator 43 und dem Widerstand 44 ist mit einem Knoten zwischen dem Feststellwiderstand 22a und der zweiten Sauerstoffpumpenzelle 2 verbunden. Ein Kondensator 45 ist zwischen der umgekehrten Eingangsklemme und einer Ausgangsklemme des Operationsverstärkers 22b angeschlossen, wodurch eine Art von Spannungsfolger gebildet wird. Ferner ist eine Stromquelle an eine nichtumgekehrte Eingangsklemme des Operationsverstärkers 22b des Steuermittels 22 für die zweite Sauerstoffpumpenzelle angeschlossen. Als Reaktion auf eine Anweisung vom Schnellaktivierungsbeurteilungsmittel 30a gibt die Stromquelle während eines Aktivierungszeitraums und während eines Nichtaktivierungszeitraums wie etwa eines Meßzeitraums unterschiedliche Werte der Spannung V1 (Eingangsspannung des Operationsverstärkers 22b) aus (d. h. verändert sie den Wert der Spannung).
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Wenn der Zeitgeber 41 den Transistor 42 als Reaktion auf eine Anweisung vom Schnellaktivierungsbeurteilungsmittel 30a einschaltet, verändert sich das Verstärkungsverhältnis des Operationsverstärkers 22b, wodurch eine Spannung, die höher als jene ist, welche während eines gewöhnlichen Meßzeitraums angelegt wird, über die zweite Sauerstoffpumpenzelle 2 angelegt wird.
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3(A) ist ein Diagramm, das ein Steuermittel für die zweite Sauerstoffpumpenzelle zeigt, das in einer NOx-Meßvorrichtung nach Bezugsbeispiel 1 bereitgestellt ist, während 3(B) ein Diagramm ist, das ein Klammermittel und ein Steuermittel für die zweite Sauerstoffpumpenzelle zeigt, die in einer NOx-Meßvorrichtung nach der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bereitgestellt sind.
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Wie in 3(A) gezeigt weist das Steuermittel 122 für die zweite Sauerstoffpumpenzelle, das in der NOx-Meßvorrichtung nach Bezugsbeispiel 1 bereitgestellt ist, einen Operationsverstärker 122b auf, der, eine Art von Spannungsfolger bildend, Strom von einer 5-Volt-Stromquelle erhält. Im Gegensatz dazu weist das Steuermittel 22 für die zweite Sauerstoffpumpenzelle, das in der NOx-Meßvorrichtung nach der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bereitgestellt ist, einen Operationsverstärker 22b auf, der, eine Art von Spannungsfolger bildend, Strom von einer 12-Volt-Stromquelle erhält. Ein Widerstand 22c ist zwischen dem Feststellwiderstand 22a und der Ausgangsklemme des Operationsverstärkers 22b angeschlossen, und eine Diode (ein Klammermittel) 22d ist mit einem Knoten zwischen dem Widerstand 22c und dem Feststellwiderstand 22a verbunden, um die Spannung, die über die zweite Sauerstoffpumpenzelle 2 angelegt wird, auf 5 Volt oder weniger zu klammern und zu beschränken. Die als ein Klammermittel (oder ein Begrenzungsmittel) dienende Diode 22d ist zwischen der zweiten Sauerstoffpumpenzelle 2 und dem Steuermittel 22 für die zweite Sauerstoffpumpenzelle und dem Aktivierungsmittel 40 (siehe 2) angeschlossen und beschränkt die über die zweite Sauerstoffpumpenzelle 2 angelegte Spannung auf eine Spannung, die während eines Aktivierungszeitraums zur zweiten Sauerstoffpumpenzelle 2 geführt werden soll. Das heißt, wenn der Transistor 42 (siehe 2) als Reaktion auf ein Aktivierungsanweisungsausgangssignal vom Schnellaktivierungsbeurteilungsmittel 30a (siehe 2) mit dem Ergebnis eingeschaltet wird, daß die Spannung der Ausgangsklemme des Operationsverstärkers 22b ansteigt, um einen vorherbestimmten Pegel oder mehr zu erreichen, tritt die Diode 22b in einen leitfähigen Zustand ein, wodurch die Spannung (das Potential) an einer Elektrode 14 der zweiten Sauerstoffpumpenzelle 2 geklammert und auf 5 Volt oder weniger beschränkt wird. Wie erwähnt ist das Potential der Elektrode 13 (Vs/Ip-Klemme), d. h., die Bezugsspannung, normalerweise auf 2 bis 4 Volt festgelegt. Andererseits ist die Spannung, die über die zweite Sauerstoffpumpenzelle (Ip2-Zelle) angelegt wird (d. h., der Potentialunterschied zwischen den Elektroden 13 und 14), durch die Widerstände 22a und 22c so festgelegt, daß sie einen optimalen Wert von annähernd 400 bis 550 mV annimmt. Dieser Potentialunterschied ist eine Spannung, die die Ip2-Zelle ausreichend aktivieren kann und keine Schwärzung (Desoxidation) der Elektroden der Ip2-Zelle verursacht. Nach der vorliegenden Erfindung wird das Potential am Knoten zwischen dem Widerstand 22a und dem Widerstand 22c durch die Diode 22d vorgespannt, so daß es den Wert von 5 Volt nicht überschreitet. Somit kann die Spannung, die über die Ip2-Zelle angelegt wird, durch Festlegen des gesamten Widerstands der Widerstände 22a und 22c auf z. B. eine Größenordnung von 200 bis 400 Kohm auf einen derartigen optimalen Wert festgelegt werden. Somit ist die Sicherheit des Sensorelements sichergestellt.
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Bei der NOx-Meßvorrichtung von Bezugsbeispiel 1 steigen die Kosten der Meßvorrichtung an, da ein Schiene-Schiene-Operationsverstärker eingesetzt wird, und wenn die Meßvorrichtung zur Messung der NOx-Konzentration von Abgas eines Verbrennungsmotors eines Fahrzeugs angewendet wird, wird ein besonderer Stromquellenschaltkreis zum Verringern der Spannung einer im Fahrzeug eingebauten Batterie, um 5 Volt zu erzeugen, erforderlich. Im Gegensatz dazu kann die NOx-Meßvorrichtung im Fall der NOx-Meßvorrichtung nach der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bei geringen Kosten hergestellt werden, da ein 12-Volt-getriebener Operationsverstärker 22b verwendet werden kann, und wird der oben erwähnte besondere Stromquellenschaltkreis zum Erzeugen von 5 Volt unnötig.
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4 ist eine Kurvendarstellung, die Ergebnisse der Messung von Vp2 und Ip2, die für die NOx-Meßvorrichtung der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung (Beispiel 1), der NOx-Meßvorrichtung von Bezugsbeispiel 1 und einer NOx-Meßvorrichtung von Bezugsbeispiel 2 durchgeführt wurden, zeigt. Die NOx-Meßvorrichtung von Bezugsbeispiel 2 ist mit Ausnahme der Nichtbereitstellung der Diode 22d mit der in 3(B) gezeigten von Beispiel 1 identisch. Die Meßbedingungen lauten wie folgt. Es ist festgelegt, daß die über die zweite Sauerstoffpumpenzelle 2 angelegte Spannung Vp2 (Spannung zwischen den beiden Elektroden) im stabilen Zustand etwa 0,45 Volt annimmt, und in Beispiel 1 und Bezugsbeispiel 2 wurde ein 12-Volt-getriebener Operationsverstärker verwendet, während in Bezugsbeispiel 1 ein 5-Volt-getriebener Operationsverstärker verwendet wurde.
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Wie aus 4 ersichtlich ist, sind die Spannung Vp2, die über die zweite Sauerstoffpumpenzelle angelegt ist, und der zweite Sauerstoffpumpenstrom Ip2, der durch die zweite Sauerstoffpumpenzelle fließt, bei der NOx-Meßvorrichtung von Beispiel 1 verglichen mit jenen der NOx-Meßvorrichtung von Bezugsbeispiel 2 stark verringert. Gemäß Bezugsbeispiel 2 besteht die Befürchtung der Erzeugung einer Schwärzung in der zweiten Sauerstoffpumpenzelle, da die tatsächlich über die zweite Sauerstoffpumpenzelle angelegte Spannung einen zulässigen erwarteten Wert überschreitet, wenn die Spannung, die über die zweite Sauerstoffpumpenzelle angelegt werden soll, zur Anstiegszeit des Sensors auf eine hohe Spannung festgelegt ist, um Sauerstoff im Flußdurchgang rasch zu entfernen. Daher stellt sich gemäß Bezugsbeispiel 2 das Problem, daß eine Spannung, die über die zweite Sauerstoffpumpenzelle angelegt werden soll, zur Anstiegszeit des Sensors (während der Aktivierung des Sensors) nicht auf einen ausreichend hohen Wert erhöht werden kann. Andererseits zeigt Beispiel 1, daß die Bereitstellung des Klammermittels (der Diode 22d) stets sicherstellt, daß die über die zweite Sauerstoffpumpenzelle angelegte Spannung auf einen vorherbestimmten Wert beschränkt wird und somit die Wartezeit, die zum Zeitpunkt des Starts des Sensorbetriebs (der Aktivierungszeit des Sensors) durch Festlegen der über die zweite Sauerstoffpumpenzelle angelegten Spannung bei einem hohen Wert erforderlich ist, bevor mit einer Messung begonnen wird, verringert werden kann. Demgemäß versteht sich, daß der zweite Sauerstoffpumpenstrom Ip2, der durch die zweite Sauerstoffpumpenzelle fließt, bei der NOx-Meßvorrichtung von Beispiel 1 verglichen mit jenem der NOx-Meßvorrichtung von Bezugsbeispiel 1 weiter verringert ist.
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Die günstigen Wirkungen der vorliegenden Erfindung sind wie folgt zusammengefaßt.
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Nach der vorliegenden Erfindung ist eine NOx-Meßvorrichtung bereitgestellt, die durch Verwendung eines einfachen und billigen Aufbaus den Zeitraum, bevor die Vorrichtung einen stabilen Betrieb beginnt, verringern kann, während die Sicherheit eines Sensorelements sichergestellt ist.
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Es sollte beachtet werden, daß andere Aufgaben, Merkmale und Gesichtspunkte der vorliegenden Erfindung in der gesamten Offenbarung einleuchtend werden, und daß Abänderungen vorgenommen werden können, ohne daß vom Kern und vom Umfang der wie hierin offenbarten und wie beiliegend beanspruchten vorliegenden Erfindung abgewichen wird.
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Es sollte auch beachtet werden, daß jede beliebige Kombination der offenbarten und/oder beanspruchten Elemente, Umstände und/oder Punkte unter die oben erwähnten Abänderungen fallen können.
