DE10352064B4 - Gaskonzentrationsmessgerät mit hohem Auflösungsvermögen - Google Patents

Abstract

Sensorsteuerschaltung für einen Gaskonzentrationssensor mit einem aus einem Festelektrolytmaterial bestehenden Sensorelement (10, 60, 100), das zur Erzeugung eines elektrischen Signals als Funktion der Konzentration eines vorgewählten Bestandteils von Gasen über einen gegebenen breiten Gaskonzentrations-Messbereich ausgestaltet ist, wobei die Sensorsteuerschaltung aufweist:
eine einen Strommesswiderstand (32), eine Vielzahl von Verstärkern und Analog/Digital-Umsetzer (A/DO; A/D1) aufweisende Sensorschaltung (30) zum Anlegen einer Spannung an das Sensorelement (10, 60, 100), bei der der Strommesswiderstand (32) zur Messung eines über das Sensorelement (10, 60, 100) fließenden, beim Anlegen der Spannung an das Sensorelement (10, 60, 100) erzeugten Stromsignals dient und die Verstärker unterschiedliche vorgegebene Verstärkungsfaktoren aufweisen, das von dem Strommesswiderstand (32) gemessene Stromsignal verstärken und das verstärkte Stromsignal den Analog/Digital-Umsetzern (A/D0; A/D1) zur Bestimmung der Konzentration des vorgewählten Gasbestandteils in einer Vielzahl von Messbereichen zuführen, die jeweils innerhalb des gegebenen breiten Gaskonzentrations-Messbereichs festgelegt sind,
wobei jeder Verstärker mit dem Strommesswiderstand (32) derart verbunden ist, dass die an einem der Endanschlüsse des Strommesswiderstands (32) auftretende Spannung an den positiven Eingang eines entsprechenden Operationsverstärkers (36, 37) angelegt wird,
die Spannung an dem anderen der Endanschlüsse des Strommesswiderstands (32) auf einer Bezugsspannung (Vf) gehalten wird;
dadurch gekennzeichnet, dass
die Sensorschaltung (30) einen Rückkopplungsstromkreis für jeden Verstärker aufweist, wobei in jedem Rückkopplungsstromkreis ein dritter Operationsverstärker (38) zur Unterdrückung des Rückkopplungsstroms des entsprechenden Verstärkers angeordnet ist,
der positive Anschluss des dritten Operationsverstärkers (38) auf der Bezugsspannung (Vf) gehalten wird, und
der negative Anschluss des dritten Operationsverstärkers (38) direkt mit dem Ausgang des dritten Operationsverstärkers (38) und über einen entsprechenden Widerstand mit dem negativen Eingang des entsprechenden Operationsverstärkers (36, 37) verbunden ist.

Description

• Die Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Gaskonzentrationsmessgerät, das bei der Messung der Konzentration eines vorgegebenen bzw. vorgewählten Bestandteils von Abgasemissionen der Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen Verwendung finden kann, und betrifft insbesondere ein derartiges Gaskonzentrationsmessgerät, das zur Gewährleistung eines hohen Auflösungsvermögens bei der Messung einer Gaskonzentration über einen gewünschten Bereich ausgestaltet ist.
• Als typisches Beispiel für die vorstehend beschriebene Art von Gaskonzentrationsmessgeräten ist ein Luft/KraftstoffVerhältnis-Messgerät bekannt, das zur Messung der Konzentration von in den Abgasemissionen der Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen enthaltenem Sauerstoff (O₂) dient, die wiederum das Luft/Kraftstoff-Verhältnis eines Gemischs angibt. Das erhaltene Messergebnis findet in einem Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Regelsystem Verwendung, das aus einer elektronischen Motorsteuereinheit ECU usw. besteht. Hierbei befinden sich eine stöchiometrische Verbrennungsregelung (λ-Regelung), bei der das Luft/KraftstoffVerhältnis im geschlossenen Regelkreis auf den Nahbereich des stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnisses eingeregelt wird, sowie eine sog. Magerregelung in der Entwicklung, bei der das Luft/Kraftstoff-Verhältnis im geschlossenen Regelkreis auf einen vorgegebenen Magerbereich eingeregelt wird. In den letzten Jahren sind die Emissionsvorschriften sowie die Anforderungen an eine fahrzeugeigene sog. On-Board-Diagnose (OBD-Vorschriften) zunehmend verschärft worden. Aus diesem Grund wird eine Verbesserung der stöchiometrischen Verbrennungsregelung angestrebt. Darüber hinaus besteht in zunehmendem Maße das Erfordernis einer Erweiterung des Messbereichs des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses bis in den atmosphärischen Bereich sowie den einen typischen Regelbereich des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses darstellenden Magerbereich. So ist z.B. ein die OBD-Anforderungen erfüllendes Sensor-Funktionsstörungsüberwachungssystem bekannt, das zur Überwachung einer z.B. durch Verschmutzung oder Verstopfung entstehenden Verschlechterung der Eigenschaften eines Gassensors dient, die zu einer Abnahme des Sensor-Ausgangsstroms während einer Unterbrechung der Kraftstoffzufuhr bzw. Schubabschaltung in einem gegebenen Betriebszustand der Brennkraftmaschine führt (bei der die Abgase im wesentlichen Luft entsprechen). Außerdem ist eine Verbesserung der Kraftstoffeinsparung sowie der Abgasoptimierung von wesentlicher Bedeutung. Darüber hinaus ist die Regelung eines fetten Gemischs bei Volllast-Betriebszuständen einer Brennkraftmaschine von Bedeutung.
• Üblicherweise tritt bei mit Magerregelung betriebenen Brennkraftmaschinen, in deren Abgassystem ein NOx-Okklusions/Reduktionskatalysator angeordnet ist, das Problem auf, dass während eines Magerbetriebs der Brennkraftmaschine eine erhebliche Menge an NOx in dem Katalysator eingeschlossen bzw. absorbiert wird, was eine Verringerung der Absorptionsfähigkeit in Bezug auf NOx-Emissionen zur Folge hat. Außerdem enthält Kraftstoff üblicherweise Schwefel, wodurch der NOx-Okklusions/Reduktionskatalysator verschmutzt bzw. vergiftet wird. Zur Vermeidung dieser Probleme ist die Einregelung eines fetten Luft/Kraftstoff-Verhältnisses zur Wiederherstellung des NOx-Absorptionsvermögens und/oder Reaktivierung des durch Schwefel verschmutzten bzw. vergifteten Katalysators eingeführt worden. Aus diesen Gründen ist bei einem solchen Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Regelkreis eine Erweiterung des Messbereichs des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses sowie eine Steigerung der Messgenauigkeit bei der Messung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses in einem solchen Bereich erforderlich.
• Bekanntermaßen finden im allgemeinen Sauerstoffsensoren als Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensoren (vereinfacht Luft/Kraftstoff-Sensoren, die auch als λ-Sensoren oder λ-Sonden bezeichnet werden) zur Bestimmung eines Abgas-Luft/Kraftstoff-Verhältnisses Verwendung. Bei solchen Sensoren sind zwei Arten bekannt, nämlich einerseits ein becherförmiger Luft/Kraftstoff-Sensor und andererseits ein laminierter Luft/Kraftstoff-Sensor (der auch als mehrschichtiger oder vielschichtiger Luft/Kraftstoff-Sensor bezeichnet wird). Der becherförmige Luft/Kraftstoff-Sensor ist mit einem Sensorelement versehen, das aus einem becherförmigen Festelektrolytkörper, zwei, an der Außenseite und der Innenseite des Festelektrolytkörpers angebrachten Elektroden sowie einer den Festelektrolytkörper umgebenden Diffusionsschicht besteht. Der Festelektrolytkörper besitzt in einer inneren Kammer ein stabförmiges Heizelement, das zur Erwärmung des gesamten Sensorelements und Aufrechterhaltung eines gewünschten Aktivierungszustands des Sensorelements dient. Die innere Kammer des Festelektrolytkörpers bildet einen zur Umgebungsatmosphäre führenden Luftkanal.
• Der laminierte Luft/Kraftstoff-Sensor ist mit einem Sensorelement versehen, das aus einer streifenförmigen Laminierung bzw. Schichtanordnung eines Festelektrolytkörpers, einer Diffusionsschicht und einer einen Luftkanal bildenden Isolierschicht besteht. Im Festelektrolytkörper sind zwei Elektroden einander gegenüberliegend angeordnet. Die Isolierschicht weist ein eingebettetes Heizelement auf.
• Bei einem strukturellen Vergleich des becherförmigen Luft/Kraftstoff-Sensors mit dem laminierten Luft/Kraftstoff-Sensor ergaben sich die nachstehend näher beschriebenen Nachteile und Vorteile. Bei dem becherförmigen Luft/Kraftstoff-Sensor ist das Volumen oder die Masse des zur Aktivierung erwärmten Teils des Sensorelements größer als bei dem laminierten Luft/Kraftstoff-Sensor, was dazu führt, dass bis zum Abschluss der Aktivierung beim Warmlaufen der Brennkraftmaschine nach einem Kaltstart eine längere Zeitdauer erforderlich ist, eine frühzeitige Aktivierung des Sensorelements damit erschwert ist und darüber hinaus ein höherer elektrischer Stromverbrauch des Heizelements anfällt. Dem gegenüber besitzt der laminierte Luft/Kraftstoff-Sensor die Vorteile, dass auf einfache Weise das Heizelement in das Sensorelement integriert und somit das Volumen des Sensorelements zur Beschleunigung von dessen Aktivierung leicht verkleinert werden kann, was wiederum zu einer Verringerung des elektrischen Stromverbrauchs des Heizelements führt. Aus diesen Gründen haben überwiegend laminierte Luft/Kraftstoff-Sensoren Verbreitung gefunden.
• Wenn die Abmessungen des Sensorelements eines laminierten Luft/Kraftstoff-Sensors verringert werden, muss auch das Volumen des Luftkanals verkleinert werden. Eine Verkleinerung des Volumens des Luftkanals bedingt eine Verringerung eines durch das Sensorelement fließenden elektrischen Stroms (der nachstehend auch als Sensorelementstrom bezeichnet ist). Bei Vorliegen eines fetten Abgasgemisches der Brennkraftmaschine wird nämlich der Sensor derart gesteuert, dass in der im Luftkanal befindlichen Luft enthaltener Sauerstoff (O₂) in eine mit den Abgasen gefüllte Gaskammer des Sensorelements gepumpt wird. Ein hoher Sensorelementstrom führt zu einer Vergrößerung der Pumpmenge des Sauerstoffs, was wiederum eine Vergrößerung der Abmessungen des Luftkanals erfordert. Zur Verringerung der Abmessungen des Sensorelements ist somit auch eine Verringerung des Sensorelementstroms erforderlich. Dies kann durch Verringerung der Elektrodenabmessungen oder Verringerung der Diffusionsrate der Diffusionsschicht (z.B. durch Verringerung der Porosität der Diffusionsschicht) erfolgen.
• 16 veranschaulicht ein Beispiel für eine übliche elektrische Schaltungsanordnung zur Messung des über den laminierten Luft/Kraftstoff-Sensor fließenden Sensorelementstroms.
• Bei dieser Schaltungsanordnung ist eine Bezugsspannungsquelle 153 mit dem positiven (+) Anschluss eines Sensorelements 150 über einen Operationsverstärker 151 und einen Strommesswiderstand 152 verbunden. Mit dem negativen (-) Anschluss des Sensorelements 150 ist eine Spannungszuführungs-Steuerschaltung 155 über einen Operationsverstärker 154 verbunden. Die an einem zu einem Endanschluss des Widerstands 152 führenden Anschluss A auftretende Spannung wird auf einem mit der Bezugsspannung Vf identischen Wert gehalten. Der Sensorelementstrom fließt durch den Strommesswiderstand 152 und ändert hierdurch die an einem Anschluss B auftretende Spannung. Wenn sich z.B. die Werte der Abgase im Magerbereich befinden, fließt der Strom vom positiven Anschluss zum negativen Anschluss des Sensorelements 150, was zu einem Anstieg der am Anschluss B auftretenden Spannung führt. Wenn dagegen die Werte der Abgase im fetten Bereich liegen, fließt der Strom vom negativen Anschluss zum positiven Anschluss des Sensorelements 150, sodass die am Anschluss B auftretende Spannung abfällt. Die Spannungszuführungs-Steuerschaltung 155 dient zur Überwachung der am Anschluss B auftretenden Spannung und Bestimmung bzw. Festlegung der an das Sensorelement 150 anzulegenden Spannung (d.h., der Spannung am Anschluss D) als Funktion der überwachten Spannung. Die am Anschluss B auftretende Spannung wird über einen Operationsverstärker 156 als das Luft/Kraftstoff-Verhältnis angebendes Ausgangssignal einem (nicht dargestellten) Mikrocomputer zugeführt.
• Die Aufrechterhaltung eines gewünschten Aktivierungszustands des Sensorelements 150 erfordert, dass die Wechselstromimpedanz Zac des Sensorelements 150 auf einem gegebenen Sollwert gehalten wird. Demzufolge wird die Stromversorgung eines in dem Sensorelement 150 angeordneten Heizelements in Abhängigkeit von der Abweichung der Impedanz Zac vom Sollwert gesteuert. Die Bestimmung der Impedanz Zac erfolgt durch Ablenkung der am Anschluss D auftretenden Spannung in Form einer Wechselspannung über die Spannungszuführungs-Steuerschaltung 155, indem die Spannungsänderung ΔV am Anschluss D gemessen, die sich durch Teilung der Spannung am Anschluss B durch den Widerstandswert des Widerstands 152 ergebende Stromänderung ΔI berechnet und sodann die Spannungsänderung ΔV durch die Stromänderung ΔI dividiert werden (d.h., Zac = ΔV/ΔI).
• Nachstehend wird näher auf die Unterschiede der Sensor-Eigenschaften sowie auf eine Möglichkeit zur Bestimmung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses bei Verwendung der vorstehend beschriebenen becherförmigen und laminierten Luft/Kraftstoff-Sensoren eingegangen. Hierbei wird angenommen, dass der Messbereich der Luft/Kraftstoff-Sensoren zwischen einem Luft/Kraftstoff-Verhältnis von 11 und einem in Umgebungsluft vorliegenden Luft/Kraftstoff-Verhältnis (das nachstehend auch als Außenluftverhältnis bzw. Umgebungsluftverhältnis bezeichnet ist) liegt.
• Hierbei wird angenommen, dass der becherförmige Luft/Kraftstoff-Sensor derart ausgestaltet ist, dass die nachstehenden elektrischen Kennwerte gegeben sind.
• Wenn in den Abgasen das Umgebungsluftverhältnis vorliegt, erzeugt das Sensorelement einen Strom von 2,5 mA. Bei einem Luft/Kraftstoff-Verhältnis von 11 erzeugt das Sensorelement einen Strom von - 13 mA. Die Impedanz Zac beträgt 22 Ω, während der Gleichstrom-Innenwiderstand bzw. Innenwirkwiderstand Ri einen Wert von 30 Ω aufweist. Die in 16 dargestellte Sensorsteuerschaltung besitzt folgende elektrische Kennwerte. Die zur Messung der Impedanz Zac verwendete Spannungsänderung beträgt ± 0,3 V. Der Strommesswiderstand besitzt einen Widerstandswert von 63 Ω, während die Bezugsspannung Vf 2,5 V beträgt.
• Wenn in den Abgasen ein stöchiometrisches Luft/KraftstoffVerhältnis vorliegt, ist die am Anschluss B auftretende Spannung identisch mit der am Anschluss A auftretenden Spannung. Das Sensorausgangssignal des Operationsverstärkers 156, d.h., die Spannung am Anschluss B, besitzt bei Vorliegen des Umgebungsluftverhältnisses und eines Luft/Kraftstoff-Verhältnisses von 11 folgende Werte: $$\begin{array}{l}\text{Ausgangssignal}\left(\text{Umgebungsluftverhältnis}\right)=\mathrm{2,5}\text{ V}+63\mathrm{\Omega }\cdot 25\text{ mA}\\ =\mathrm{4,075}\text{ V}\end{array}$$

  

  $$\begin{array}{l}\text{Ausgangssignal}\left(\text{Luft/Kraftstoff-Verhältnis}=11\right)=\mathrm{2,5}\text{ V}+63\\ \mathrm{\Omega }\cdot \left(-13\text{ mA}\right)=\mathrm{1,681}\text{ V}\text{.}\end{array}$$

  
• Wenn das Sensorsausgangssignal in einen Mikrocomputer über einen 10 Bit-Analog/Digital-Umsetzer zur Bestimmung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses eingegeben wird, beträgt die Messwertauflösung innerhalb des Bereichs von dem Luft/Kraftstoff-Verhältniswert 11 bis zum Umgebungsluftverhältnis: $$\left(\mathrm{4,075}-\mathrm{1,681}\right)/\text{ 5 V}\cdot 1024=490$$

  
• Wenn die Änderung des Sensorelementstroms für den Luft/Kraftstoff-Verhältnisbetrag 1 in der Nähe des stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnisses 2 mA beträgt, beträgt die Messwertauflösung: $$2\text{ mA}\cdot 63\mathrm{\Omega }/5\text{ V}\cdot 1024=490$$

  
• Die Bestimmung der Impedanz Zac erfolgt durch Ablenkung der am Anschluss D auftretenden Spannung in negativer und positiver Richtung. Bei einer Änderung der Spannung am Anschluss D in positiver Richtung ändert sich die am Anschluss B auftretende Spannung bei Vorliegen des Umgebungsluftverhältnisses und eines Luft/Kraftstoff-Verhältniswertes 11 folgendermaßen: $$\text{Spannung an B}=\mathrm{4,075}\text{ V}+63\mathrm{\Omega }\cdot \left(\mathrm{0,3}\text{ V / 22 }\mathrm{\Omega }\right)=\mathrm{4,934}\text{ V}$$

  

  $$\text{Spannung an B}=\mathrm{1,681}\text{ V}+63\mathrm{\Omega }\cdot \left(\mathrm{0,3}\text{ V / 22 }\mathrm{\Omega }\right)=\mathrm{2,54}\text{ V}$$

  
• Eine Änderung der Spannung am Anschluss D in negativer Richtung führt ebenfalls zu einer Änderung der am Anschluss B auftretenden Spannung. Bei dem Luft/Kraftstoff-Verhältniswert 11 besitzt die Spannung am Anschluss B folgenden Minimalwert: $$\text{Spannung an B}=\mathrm{1,681}\text{ V}+63\mathrm{\Omega }\cdot \left(-\mathrm{0,3}\text{ V / 22 }\mathrm{\Omega }\right)=\mathrm{0,822}\text{ V}$$

  
• Bei der zur Bestimmung der Impedanz Zac erfolgenden Ablenkung bzw. Änderung der am Anschluss D auftretenden Spannung in positiver und negativer Richtung zeigt sich, dass der resultierende Wert der am Anschluss B auftretenden Spannung innerhalb des Betriebsspannungsbereichs (0 bis 5 V) des Analog/Digital-Umsetzers des Mikrocomputers liegt, d.h., die Sensorsteuerschaltung gemäß 16 ist dahingehend ausgestaltet, dass die Impedanz Zac korrekt bestimmt werden kann.
• Der laminierte Luft/Kraftstoff-Sensor ist in der vorstehend beschriebenen Weise zur Verringerung des Sensorelementstroms ausgestaltet, sodass z.B. der von dem laminierten Luft/Kraftstoff-Sensor erzeugte Sensorelementstrom nur ungefähr ein Zehntel des Sensorelementstroms des becherförmigen Luft/Kraftstoff-Sensors beträgt.
• Hierbei sei angenommen, dass der laminierte Luft/Kraftstoff-Sensor derart aufgebaut ist, dass die nachstehenden elektrischen Kennwerte vorliegen.
• Wenn in den Abgasen das Umgebungsluftverhältnis vorliegt, erzeugt das Sensorelement einen Strom von 2,5 mA. Bei dem Luft/Kraftstoff-Verhältniswert 11 erzeugt das Sensorelement einen Strom von - 1,3 mA. Die Impedanz Zac beträgt 28 Ω, während der Gleichstrom-Innenwiderstand bzw. Innenwirkwiderstand Ri 60 Ω beträgt. Die Sensorsteuerschaltung gemäß 16 besitzt folgende elektrische Kennwerte. Die zur Messung der Impedanz Zac verwendete Spannungsänderung beträgt ± 0,3 V, während der Widerstandswert des Strommesswiderstands 185 Q und die Bezugsspannung Vf 2,5 V betragen.
• Wenn in den Abgasen ein stöchiometrisches Luft/KraftstoffVerhältnis vorliegt, ist die am Anschluss B auftretende Spannung identisch mit der am Anschluss A auftretenden Spannung von 2,5 V. Das Sensorausgangssignal des Operationsverstärkers 156, d.h., die am Anschluss B auftretende Spannung, besitzt bei Vorliegen des Umgebungsluftverhältnisses und des Luft/Kraftstoff-Verhältniswerts 11 die nachstehend wiedergegebenen Werte: $$\begin{array}{l}\text{Ausgangssignal}\left(\text{Umgebungsluftverhältnis}\right)=\mathrm{2,5}\text{ V}+185\mathrm{\Omega }\cdot \mathrm{2,5}\\ \text{mA}=\mathrm{2,9625}\text{ V}\end{array}$$

  

  $$\begin{array}{l}\text{Ausgangssignal}\left(\text{Luft/Kraftstoff-Verhältniswert }11\right)=\mathrm{2,5}\text{ V}+\\ 185\mathrm{\Omega }\cdot \left(-\mathrm{1,3}\text{ mA}\right)=\mathrm{2,2595}\text{ V}\text{.}\end{array}$$

  
• Der laminierte Luft/Kraftstoff-Sensor ist somit derart aufgebaut, dass die an den Anschlüssen B und D auftretenden Spannungen zur Bestimmung der Impedanz Zac korrekt gemessen werden können. Wenn die Spannung am Anschluss D zur Bestimmung der Impedanz Zac um 0,3 V in positiver Richtung verändert wird, nimmt die am Anschluss B auftretende Spannung bei Vorliegen des Umgebungsluftverhältnisses und des Luft/Kraftstoff-Verhältniswerts 11 folgende Werte an: $$\text{Spannung an B}=\mathrm{4,9446}\text{ V}$$

  

  $$\text{Spannung an B}=\mathrm{4,2416}\text{ V}$$

  
• Wenn die Spannung am Anschluss D zur Bestimmung der Impedanz Zac um 0,3 V in negativer Richtung verändert wird, nimmt die am Anschluss B auftretende Spannung bei dem Luft/Kraftstoff-Verhältniswert 11 den nachstehenden Minimalwert an: $$\text{Spannung an B}=\mathrm{0,277}\text{ V}$$

  
• Wenn das Sensorausgangssignal zur Bestimmung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses einem Mikrocomputer über einen 10 Bit-Analog/Digital-Umsetzer zugeführt wird, beträgt die Messwertauflösung innerhalb des Bereichs von dem Luft/Kraftstoff-Verhältniswert 11 bis zum Umgebungsluftverhältnis $$\left(\mathrm{2,9625}-\mathrm{2,2595}\right)/\text{ 5 V}\cdot 1024=144$$

  
• Es zeigt sich somit, dass die Messwertauflösung des laminierten Luft/Kraftstoff-Sensors nur ungefähr den 0,3-fachen Wert der Messwertauflösung des becherförmigen Luft/Kraftstoff-Sensors aufweist (nämlich 144/490 = 0,294).
• Wenn die Änderung des Sensorelementstroms für den Luft/Kraftstoff-Verhältniswert 1 in der Nähe des stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnisses 0,2 mA beträgt, führt dies zu einer Messwertauflösung von $$\mathrm{0,2}\text{ mA}\cdot 185\mathrm{\Omega }/5\text{ V}\cdot 1024=7$$

  
• Hierdurch ergibt sich ebenfalls, dass die Messwertauflösung des laminierten Luft/Kraftstoff-Sensors nur ungefähr den 0,3-fachen Wert der Messwertauflösung des becherförmigen Luft/Kraftstoff-Sensors aufweist (nämlich 7/25 = 0,28).
• Nachstehend wird näher auf die Gründe für die geringere Messwertauflösung des laminierten Luft/Kraftstoff-Sensors im Vergleich zum becherförmigen Luft/Kraftstoff-Sensor eingegangen.
• Wie vorstehend beschrieben, beträgt der von dem laminierten Luft/Kraftstoff-Sensor erzeugte Sensorelementstrom nur ungefähr 1/10 des Sensorelementstroms des becherförmigen Luft/Kraftstoff-Sensors. Bei einem zwischen dem Luft/Kraftstoff-Verhältniswert 11 und dem Umgebungsluftverhältnis liegenden Messbereich liegt somit der Sensorelementstrom bei dem becherförmigen Luft/Kraftstoff-Sensor im Bereich zwischen - 13 mA und 25 mA (= 38 mA), während der Sensorelementstrom bei dem laminierten Luft/Kraftstoff-Sensor im Bereich zwischen -1,3 mA und 2,5 mA (= 3,8 mA) liegt. Der bei der Messung der Impedanz Zac bei dem becherförmigen Luft/Kraftstoff-Sensor erzeugte Wechselstrom beträgt 13,6 mA (= 0,3 V/22 Q), während der bei der Messung der Impedanz Zac bei dem laminierten Luft/Kraftstoff-Sensor erzeugte Wechselstrom 10,7 mA (= 0,3 V/28 Q) beträgt. Der zur Messung der Impedanz Zac bei dem becherförmigen Luft/Kraftstoff-Sensor erzeugte Strom beträgt 35,8 % (13,6 mA/38 mA = 0,358) des zur Messung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses erzeugten Sensorelementstroms, während der bei dem laminierten Luft/Kraftstoff-Sensor zur Messung der Impedanz Zac erzeugte Strom 281,6% (10,7 mA/3,8 mA = 2,816) des zur Messung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses erzeugten Sensorelementstroms beträgt.
• Es zeigt sich somit, dass das Verhältnis des zur Messung der Impedanz Zac dienenden Stroms zu dem zur Messung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses dienenden Sensorelementstrom bei dem laminierten Luft/Kraftstoff-Sensor viel größer als bei dem becherförmigen Luft/Kraftstoff-Sensor ist. Der Widerstandswert eines zur Messung des Sensorelementstroms verwendeten Widerstands (d.h., des Widerstands 152 gemäß 16) muss somit bei dem laminierten Luft/Kraftstoff-Sensor auf einen geringeren Wert als bei dem becherförmigen Luft/Kraftstoff-Sensor eingestellt werden, was zu einem geringeren Auflösungsvermögen bei der Bestimmung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses führt.
• Eine Vergrößerung des Gleichstrom-Innenwiderstands bzw. Innenwirkwiderstands (oder der Wechselstromimpedanz Zac) des Sensorelements des laminierten Luft/Kraftstoff-Sensors führt zwar zu einer Verringerung des zur Messung der Impedanz Zac dienenden Stroms, sodass sich das Verhältnis des zur Messung der Impedanz Zac dienenden Stroms zu dem zur Messung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses dienenden Sensorelementstrom verringert, jedoch hat eine solche Vergrößerung des Gleichstrom-Innenwiderstands bzw. Innenwirkwiderstands des Sensorelements eine Änderung der Sensor-Kennlinie (siehe 3) zur Folge, durch die die Steuerung der an das Sensorelement zur genauen Messung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses angelegten Spannung erschwert wird. Zweckmäßigerweise sollten daher keine Veränderungen des Gleichstrom-Innenwiderstands bzw. Innenwirkwiderstands des Sensorelements in Betracht gezogen werden.
• Aus der JP H11-37 971 A sind bereits Maßnahmen zur Verbesserung des Auflösungsvermögens bei einer in einem weiten Bereich erfolgenden Messung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses bekannt. 17 zeigt eine Sensorsteuerschaltung, die in einem aus dieser Druckschrift bekannten Gaskonzentrationsmessgerät angeordnet ist. Da den Bauelementen der Schaltungsanordnung gemäß 16 entsprechende Bauelemente mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet sind, erübrigt sich eine erneute Beschreibung dieser Bauelemente.
• Zur Messung des von dem Sensorelement 150 erzeugten Stroms (d.h., des Sensorelementstroms) sind zwei Widerstände 161 und 162 in Reihe geschaltet. Ferner ist ein Schalter 163 vorgesehen, der wahlweise eine Verbindung des Operationsverstärkers 156 mit dem Anschluss B oder dem Anschluss C als Funktion eines Momentanwertes des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses herstellt. Hierbei schließt der Schalter 163 die Verbindung zwischen dem Operationsverstärker 156 und dem Anschluss C wenn in den Abgasen das Umgebungsluftverhältnis vorliegt, sodass der Sensorelementstrom über den Widerstand 161 gemessen und über den Operationsverstärker 156 abgegeben wird. Wenn in den Abgasen dagegen das stöchiometrische Luft/KraftstoffVerhältnis vorliegt, schließt der Schalter 163 die Verbindung zwischen dem Operationsverstärker 156 und dem Anschluss B, sodass der Sensorelementstrom über die Widerstände 161 und 162 gemessen und sodann über den Operationsverstärker 156 abgegeben wird. Hierdurch wird eine genaue Messung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses über einen weiten Bereich gewährleistet, wobei die Messgenauigkeit insbesondere in dem Bereich in der Nähe des stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnisses verbessert wird.
• Die Schaltungsanordnung gemäß 17 weist jedoch den Nachteil auf, dass bei Verwendung des laminierten Luft/Kraftstoff-Sensors das Verhältnis des zur Messung der Impedanz Zac dienenden Stroms zu dem zur Messung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses dienenden Sensorelementstrom viel größer als bei Verwendung des becherförmigen Luft/Kraftstoff-Sensors ist, was zu einem geringeren Auflösungsvermögen bei der Bestimmung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses führt. Das Problem der bei einer Verringerung des Sensorelementstroms auftretenden Abnahme der Messwertauflösung bleibt somit ungelöst.
• Einschlägiger Stand der Technik dazu kann beispielsweise in der Druckschrift US 4,915,813 A aufgefunden werden, welche ein Sauerstoffkonzentrationsmessgerät offenbart.
• Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, die Nachteile des Standes der Technik zu beheben und ein Gaskonzentrationsmessgerät anzugeben, das zur Gewährleistung einer hohen Messgenauigkeit bzw. eines hohen Auflösungsvermögens bei der Messung einer Gaskonzentration über einen gewünschten weiten Bereich ausgestaltet ist.
• Insbesondere soll vermieden werden, dass, wie bei der US 4,915,813 A , Rückkopplungsströme über den Strommesswiderstand fließen, was zu einem Fehler bei der Bestimmung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses führen kann.
• Diese Aufgabe wird mit den den Patentansprüchen angegebenen Mitteln gelöst.
• Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen und Beispielen, die zum Verständnis der Erfindung nützlich sind, unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
• 1 ein Schaltbild der Schaltungsanordnung eines Gaskonzentrationsmessgeräts,
• 2 eine Querschnittsansicht eines Sensorelements, das bei dem Gaskonzentrationsmessgerät gemäß 1 Verwendung findet,
• 3 ein Beispiel für ein Klemmenspannungs-Ausgangsstrom-Kennlinienfeld, das bei der Bestimmung einer an das Sensorelement gemäß 2 anzulegenden Sollspannung Verwendung findet,
• 4 eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen einem Luft/Kraftstoff-Verhältnis und dem von dem Sensorelement gemäß 2 erzeugten Strom,
• 5 ein Schaltbild einer ersten Modifikation einer Sensorsteuerschaltung der 1 (ein Ausführungsbeispiel der Erfindung),
• 6 ein Schaltbild einer zweiten Modifikation einer Sensorsteuerschaltung der 1 (ein Ausführungsbeispiel der Erfindung),
• 7 ein Schaltbild der Schaltungsanordnung einer Sensorsteuerschaltung eines Gaskonzentrationsmessgeräts gemäß einem zweiten Beispiel,
• 8 ein Schaltbild der Schaltungsanordnung einer Sensorsteuerschaltung eines Gaskonzentrationsmessgeräts gemäß einem dritten Beispiel,
• 9 ein Schaltbild der Schaltungsanordnung einer Sensorsteuerschaltung eines Gaskonzentrationsmessgeräts gemäß einer Modifikation der Sensorsteuerschaltung der 1,
• 10 ein Schaltbild einer dritten Modifikation der Sensorsteuerschaltung der 1 (ein Ausführungsbeispiel der Erfindung),
• 11 ein Schaltbild einer vierten Modifikation der Sensorsteuerschaltung der 1 (ein Ausführungsbeispiel der Erfindung),
• 12 eine Querschnittsansicht einer ersten Modifikation des Sensorelements, das für eine erfindungsgemäße Sensorsteuerschaltung verwendet werden kann,
• 13 ein Schaltbild einer Modifikation der Sensorsteuerschaltung der 1, die bei dem Sensorelement gemäß 12 Verwendung findet,
• 14 ein Schaltbild einer weiteren Modifikation der Sensorsteuerschaltung der 1, die bei dem Sensorelement gemäß 12 Verwendung finden kann,
• 15 eine Querschnittsansicht einer zweiten Modifikation des Sensorelements, das für eine erfindungsgemäße Sensorsteuerschaltung verwendet werden kann,
• 16 ein Schaltbild eines Beispiels für eine Sensorsteuerschaltung des Standes der Technik, und
• 17 ein Schaltbild eines weiteren Beispiels für eine Sensorsteuerschaltung des Standes der Technik.
• In den Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszahlen bzw. Bezugszeichen gleiche Bauelemente und Bauteile bezeichnen, ist insbesondere in 1 ein Gaskonzentrationsmessgerät veranschaulicht, dass zur Messung der ein Luft/KraftstoffVerhältnis angebenden Konzentration von Sauerstoff (O₂) in den Abgasemissionen der Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen ausgestaltet ist. Die gemessene Konzentration wird dann im Rahmen eines Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Regelsystems verwendet, das aus einer elektronischen Motorsteuereinheit ECU und dergleichen besteht. Das Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Regelsystem dient zur Durchführung einer stöchiometrischen Verbrennungsregelung, bei der das Luft/Kraftstoff-Verhältnis im geschlossenen Regelkreis auf Werte in der Nähe des stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnisses eingeregelt wird, sowie zur Durchführung einer sog. Magerregelung, bei der das Luft/Kraftstoff-Verhältnis im geschlossenen Regelkreis auf einen vorgegebenen Magerbereich eingeregelt wird. Das Gaskonzentrationsmessgerät ist zur Messung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses in einem weiten Bereich von einer brennstoffangereicherten Zone (mit z.B. dem Luft/Kraftstoff-Verhältniswert 11) bis zu einer atmosphärischen Zone (d.h., einer brennstofffreien Zone) ausgestaltet, um zunehmend verschärfte Emissionsvorschriften und/oder On-Board-Diagnosevorschriften (OBD-Vorschriften) zu erfüllen, oder um einen üblicherweise im Abgassystem von mit Magerregelung betriebenen Brennkraftmaschinen angeordneten NOx-Okklusions/Reduktionskatalysator von NOx-Emissionen zu befreien und das Ausmaß der Verschmutzung bzw. Vergiftung des NOx-Okklusions/Reduktionskatalysators durch den im Brennstoff enthaltenen Schwefel minimal zu halten.
• Das Gaskonzentrationsmessgerät umfasst einen Mikrocomputer 20, eine Sensorsteuerschaltung 30 und einen (nachstehend als Luft/Kraftstoff-Sensor bezeichneten) Sauerstoffsensor 10, der zur Erzeugung eines Stromsignals als Funktion der Konzentration von Sauerstoff in Abgasemissionen dient, die in eine in dem Luft/Kraftstoff-Sensor 10 ausgebildete Gaskammer geführt worden sind.
• Der Luft/Kraftstoff-Sensor 10 umfasst ein laminiertes Sensorelement 10, das den in 2 dargestellten Sektions- bzw. Schichtaufbau aufweist. Die Längsabmessungen des Sensorelements 10 verlaufen in 2 senkrecht zur Zeichenebene, wobei das Sensorelement 10 in einem Sensorgehäuse angeordnet und von einer Schutzschicht umgeben ist. Dieser Luft/Kraftstoff-Sensor 10 ist im Abgasrohr der Brennkraftmaschine angeordnet. Der Aufbau sowie die betriebliche Steuerung eines Gassensors dieser Art ist im einzelnen z.B. aus der EP 0 987 546 A2 der Anmelderin bekannt, auf deren Offenbarung Bezug genommen wird.
• Das Sensorelement 10 besteht aus einer Festelektrolytschicht 11, einer Diffusionswiderstandsschicht 12, einer Abschirm- oder Deckschicht 13 sowie einer Isolierschicht 14, die gemäß 2 in Form einer vertikalen Schichtanordnung laminiert sind. Das Sensorelement 10 ist mit einer (nicht dargestellten) Schutzschicht umgeben. Die Festelektrolytschicht 11 besteht aus einem rechteckigen teilstabilisierten Zirkondioxidblatt, an dessen Oberflächen eine obere Elektrode 15 und eine untere Elektrode 16 einander gegenüber liegend angeordnet sind. Die Diffusionswiderstandsschicht 12 besteht aus einem porösen Blatt, das das Hindurchströmen von Abgasen zur Elektrode 15 erlaubt. Die Abschirmschicht 13 besteht aus einem kompakten Blatt, das das Hindurchtreten von Abgasen verhindert. Die Schichten 12 und 13 werden jeweils unter Verwendung eines Blatts aus einem Keramikmaterial wie Aluminiumoxid, Spinell oder Zirkondioxid gebildet und besitzen im Vergleich zueinander eine unterschiedliche mittlere Porosität bzw. Gasdurchlässigkeit.
• Die Isolierschicht 14 besteht aus einem hitzebeständigen nichtleitenden Hochtemperatur-Werkstoff wie einem Keramikmaterial, in dem ein Luftkanal 17 ausgebildet ist, in welchem die Elektrode 16 angeordnet ist. Die Isolierschicht 14 ist außerdem mit einem eingebetteten Heizelement 18 versehen. Das Heizelement 18 besteht aus einem Heizdraht, der von einer Speicherbatterie des Fahrzeugs zur Erwärmung des gesamten Sensorelements 10 auf eine gewünschte Aktivierungstemperatur mit Strom versorgt wird.
• Die durch das Abgasrohr der Brennkraftmaschine mit dem darin angeordneten Sensorelement 10 strömenden Abgase treten seitlich durch die Diffusionswiderstandsschicht 12 hindurch und erreichen die Elektrode 15. Bei mageren Abgasen werden die in den Abgasen enthaltenen Sauerstoffmoleküle durch die Elektrode 15 aufgespalten oder ionisiert, sodass sie über die Elektrode 16 in den Luftkanal 17 abgeführt werden. Wenn die Abgase dagegen fetter als ein vorgegebener Wert sind, werden die in der im Luftkanal 17 befindlichen Luft enthaltenen Sauerstoffmoleküle von der Elektrode 16 ionisiert, sodass sie über die Elektrode 15 in das Abgasrohr abgeführt werden.
• 3 zeigt die Spannungs-Strom-Abhängigkeit (d.h., ein V-I-Kennlinienfeld) des Luft/Kraftstoff-Sensors. Die parallel zur Abszisse (d.h., der V-Achse) verlaufenden gradlinigen Kennlinienabschnitte bezeichnen Grenzstrombereiche, in denen das Sensorelement 10 einen elektrischen Strom (d.h., einen Grenzstrom) als Funktion des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses (d.h., der Anreicherung oder Abmagerung des Luft/KraftstoffGemisches) erzeugt. Wenn hierbei das Luft/KraftstoffVerhältnis in den mageren Bereich übergeht, steigt der vom Sensorelement 10 erzeugte Strom an, während bei einem Übergang des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses in den fetten Bereich der von dem Sensorelement 10 erzeugte Strom abfällt. Eine Kennlinie LX1 bezeichnet eine an das Sensorelement 10 (d.h., die Elektroden 15 und 16) anzulegende Sollspannung. Hierbei entspricht die Steigung der Kennlinie LX1 im wesentlichen der Steigung einer widerstandsabhängigen Kennlinie, wie dies auf der linken Seite der Zeichnung veranschaulicht ist.
• Bei diesem Beispiel ist der Bereich vom Luft/Kraftstoff-Verhältniswert 11 bis zu dem in der Umgebungsluft vorliegenden Luft/Kraftstoff-Verhältnis (d.h., dem Umgebungsluftverhältnis) als Messbereich des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses festgelegt. Das Sensorelement 10 ist dahingehend ausgestaltet, dass bei dem Luft/Kraftstoff-Verhältniswert 11 ein Strom von - 1,3 mA erzeugt wird, während ein Strom von 2,5 mA erzeugt wird, wenn die Abgase Luft entsprechen. Wie in der Beschreibungseinleitung bereits dargelegt ist, entsprechen diese Stromwerte 1/10 der von dem becherförmigen Luft/Kraftstoff-Sensor erzeugten Ströme.
• 4 veranschaulicht in Form einer Kennlinie die Beziehung zwischen dem Luft/Kraftstoff-Verhältnis und dem vom Sensorelement 10 erzeugten Strom I. Die Kennlinie zeigt, dass bei einer Verschiebung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses zur mageren Seite hin die Stromänderung je Einheit des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses (d.h., die Steigung der Kennlinie) abnimmt. Wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis im Bereich des stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnisses (14,5) liegt, wird eine Stromänderung von 0,2 mA erhalten, die einem Luft/Kraftstoff-Verhältnis von 1 entspricht und annähernd 1/10 der Stromänderung bei dem becherförmigen Luft/Kraftstoff-Sensor beträgt.
• Es sei nun wieder auf 1 Bezug genommen, gemäß der das vorstehend beschriebene Gaskonzentrationsmessgerät den Mikrocomputer 20 und die Sensorsteuerschaltung 30 aufweist und die Bestimmung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses und der Impedanz Zac des Sensorelements 10 (die nachstehend auch als Sensorelementimpedanz bezeichnet wird) auf der Basis des Ausgangssignals des Sensorelements 10 herbeigeführt wird.
• Der Mikrocomputer 20 besteht aus einer eine Zentraleinheit CPU, Speicher, Analog/Digital-Umsetzer, eine E/A-Schnittstelle usw. umfassenden Recheneinheit, die über die Analog/DigitalUmsetzer von der Sensorsteuerschaltung 30 als Funktion des Ausgangssignals des Sensorelements 10 erzeugte analoge Stromsignale erhält und das Luft/Kraftstoff-Verhältnis sowie die Sensorelementimpedanz Zac berechnet. Die Analog/DigitalUmsetzer besitzen z.B. eine Quantisierung bzw. ein Auflösungsvermögen von 10 Bits und arbeiten in einem Bereich von 0 bis 5 V. Der vom Mikrocomputer 20 berechnete Luft/Kraftstoff-Verhältniswert wird einer (nicht dargestellten) elektronischen Motorsteuereinheit ECU zugeführt, um im Rahmen einer im geschlossenen Regelkreis erfolgenden Regelung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses Verwendung zu finden.
• Die Sensorsteuerschaltung 30 umfasst einen Operationsverstärker 31, einen Strommesswiderstand 32, eine Bezugsspannungsquelle 33, einen Operationsverstärker 34, eine Spannungszuführungs-Steuerschaltung 35 sowie Operationsverstärker (Differenzverstärker) 36 und 37. Die Bezugsspannungsquelle 33 ist mit dem positiven (+) Anschluss des Sensorelements 10 über den Operationsverstärker 31 und den Strommesswiderstand 32 verbunden, während die Spannungszuführungs-Steuerschaltung 35 mit dem negativen (-) Anschluss des Sensorelements 10 über den Operationsverstärker 34 verbunden ist. Die an einem mit einem Endanschluss des Widerstands 32 verbundenen (und nachstehend auch als erster Anschluss bezeichneten) Verbindungspunkt A auftretende Spannung wird auf einem mit der Bezugsspannung Vf identischen Wert gehalten. Der Sensorelementstrom (d.h., das Ausgangssignal des Sensorelements 10) fließt über den Strommesswiderstand 32, wodurch sich die an einem (nachstehend auch als zweiter Anschluss bezeichneten) Verbindungspunkt B auftretende Spannung verändert. Wenn z.B. die Abgaswerte im Magerbereich liegen, fließt der Strom vom positiven zum negativen Anschluss des Sensorelements 10, sodass die am zweiten Anschluss B auftretende Spannung ansteigt. Wenn dagegen die Abgaswerte im fetten Bereich liegen, fließt der Strom vom negativen zum positiven Anschluss des Sensorelements 10, sodass die am zweiten Anschluss B auftretende Spannung abfällt. Die Spannungszuführungs-Steuerschaltung 35 dient zur Überwachung der Spannung am zweiten Anschluss B und Bestimmung einer an das Sensorelement 10 anzulegenden Sollspannung in Abhängigkeit von der überwachten Spannung, indem z.B. ein Abfragevorgang unter Verwendung der in 3 veranschaulichten Sollspannungskennlinie LX1 durchgeführt wird. Die Spannungszuführungs-Steuerschaltung 35 steuert die an einem nachstehend auch als dritter Anschluss bezeichneten Verbindungspunkt D auftretende Spannung über den Operationsverstärker 34 in Abhängigkeit von der Sollspannung. Wenn jedoch die Bestimmung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses in einem Bereich in der Nähe des stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältniswerts erforderlich ist, kann die Spannungszuführungs-Steuerschaltung 35 die an das Sensorelement 10 anzulegende Spannung auch auf einem festen Wert halten.
• Mit dem ersten Anschluss A und dem zweiten Anschluss B des Strommesswiderstands 32 sind jeweils der Operationsverstärker 36 und der Operationsverstärker 37 gekoppelt. Das Ausgangssignal OP1 des Operationsverstärkers 36 wird einem Analog/Digital-Umsetzer A/D0 des Mikrocomputers 20 zugeführt, während das Ausgangssignal OP2 des Operationsverstärkers 37 einem Analog/Digital-Umsetzer A/D1 des Mikrocomputers 20 zugeführt wird. Die Operationsverstärker 36 und 37 sind parallel geschaltet, wobei der Operationsverstärker 36 den Verstärkungsfaktor 5 aufweist, während der Operationsverstärker 37 den Verstärkungsfaktor 15 aufweist. Die Operationsverstärker 36 und 37 werden von der Batterie mit Strom versorgt. Die Ausgangssignale OP1 und OP2 der Operationsverstärker 36 und 37 (d.h., das vom Sensorelement 10 erzeugte Stromsignal) dienen als Bestimmungssignale zur Bestimmung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses im Mikrocomputer 20, d.h., der Mikrocomputer 20 verwendet die beiden Signale (d.h., die Ausgangssignale OP1 und OP2) zur Bestimmung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses.
• Der Operationsverstärker 36 ist zur Erzeugung des Ausgangssignals OP1 ausgestaltet, das eine Bestimmung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses über einen Messbereich von z.B. dem Luft/Kraftstoff-Verhältniswert 11 bis zum Umgebungsluftverhältnis ermöglicht. Der Operationsverstärker 37 ist zur Erzeugung des Ausgangssignals OP2 ausgestaltet, das eine Bestimmung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses innerhalb eines begrenzten Bereichs von z.B. dem Luft/Kraftstoff-Verhältniswert 12 bis zu dem Luft/Kraftstoff-Verhältniswert 22 ermöglicht, der das stöchiometrische Luft/KraftstoffVerhältnis einschließt. Im Rahmen der nachstehenden Beschreibung wird das Ausgangssignal OP1 auch als Breitband-Messsignal bezeichnet, während das Ausgangssignal OP2 auch als Schmalband-Messsignal oder als Messsignal für das stöchiometrische Luft/Kraftstoff-Verhältnis bezeichnet wird.
• Der Mikrocomputer 20 lenkt die an das Sensorelement 10 angelegte Spannung kurzzeitig ab, um die Sensorelementimpedanz Zac als Funktion der sich hierbei ergebenden Änderung des von dem Sensorelement 10 erzeugten Stroms zu bestimmen. Hierbei spricht die Spannungszuführungs-Steuerschaltung 35 auf ein vom Mikrocomputer 20 zugeführtes Steuersignal zur Änderung bzw. Ablenkung der an das Sensorelement 10 angelegten Spannung (d.h., der Spannung am Anschluss D) um einen gegebenen Betrag (von z.B. 0,3 V) in positiver und negativer Richtung an. Der Mikrocomputer 20 überwacht die sich ergebende Spannungsänderung am Anschluss D über den Analog/DigitalUmsetzer A/D3. Durch die Änderung der Spannung am Anschluss D ändert sich auch die Spannung am zweiten Anschluss B als Funktion der Impedanz Zac des Sensorelements 10. Der Mikrocomputer 20 überwacht auch die Änderung der Spannung am zweiten Anschluss B über den Analog/Digital-Umsetzer A/D2 und teilt die am Anschluss D auftretende Spannungsänderung ΔV durch den Wert ΔI, der durch Teilung der Spannungsänderung am zweiten Anschluss B durch den Widerstandswert des Strommesswiderstands 32 erhalten wird, um auf diese Weise die Sensorelementimpedanz Zac (= ΔV / ΔI) zu bestimmen. Alternativ kann die Bestimmung der Sensorelementimpedanz Zac auch erfolgen, indem der dem Sensorelement 10 zugeführte Strom in Form eines Wechselstroms abgelenkt und die sich hierbei ergebende Änderung des Stroms oder der Spannung überwacht wird, die von dem Sensorelement 10 erzeugt wird. In der am 17. Juni 2003 veröffentlichten US-6 578 563 B2 der Anmelderin ist die Bestimmung der Sensorelementimpedanz Zac beschrieben, wobei im Rahmen der nachstehenden Beschreibung auf die Offenbarung dieser Druckschrift Bezug genommen wird.
• Die Bestimmung der Sensorelementimpedanz Zac erfolgt in regelmäßigen Zeitintervallen. Hierbei führt der Mikrocomputer 20 der Spannungszuführungs-Steuerschaltung 35 zyklisch ein Impedanzmessbefehlssignal zu. Außerdem führt der Mikrocomputer 20 auch eine Steuerung der dem Heizelement 18 zugeführten elektrischen Leistung durch, um die Sensorelementimpedanz Zac auf einem gegebenen Sollwert zu halten, damit das Sensorelement 10 in einem gewünschten Aktivierungszustand verbleibt, in dem ein korrektes Ausgangssignal des Sensorelements 10 als Funktion des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses erzeugt wird.
• Nachstehend wird näher auf das Auflösungsvermögen der Sensorsteuerschaltung 30 bei der Bestimmung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses eingegangen.
• Wie vorstehend beschrieben, liegt der Messbereich des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses bei dem Gaskonzentrationsmessgerät zwischen dem Luft/Kraftstoff-Verhältniswert 11 und dem Umgebungsluftverhältnis. Hierbei sind das Sensorelement 10 und die Sensorsteuerschaltung 30 derart ausgestaltet, dass die nachstehend beschriebenen elektrischen Kennwerte gegeben sind. Wenn in den Abgasen das Umgebungsluftverhältnis vorliegt, erzeugt das Sensorelement 10 einen Strom von 2,5 mA. Bei dem Luft/Kraftstoff-Verhältniswert 11 erzeugt das Sensorelement 10 einen Strom von - 1,3 mA. Bei dem Luft/Kraftstoff-Verhältniswert 12 erzeugt das Sensorelement 10 einen Strom von - 0,79 mA. Bei dem Luft/Kraftstoff-Verhältniswert 22 erzeugt das Sensorelement 10 einen Strom von 0,884 mA. Die Wechselstromimpedanz Zac beträgt 28 Ω. Die zur Messung der Impedanz Zac erzeugte Spannungsänderung beträgt ± 0,3 V. Der Widerstandswert des Strommesswiderstands beträgt 185 Ω, während die Bezugsspannung Vf 2,5 V beträgt. Die Operationsverstärker 36 und 37 werden von der gleichen Spannungsquelle angesteuert, wobei eine Begrenzung auf 5 V erfolgt, sodass sie Ausgangssignale nur im Bereich von 0 bis 5 V abgeben.
• Der Operationsverstärker 36 ist somit dahingehend ausgestaltet, dass er einen Messbereich vom Luft/Kraftstoff-Verhältniswert 11 bis zum Umgebungsluftverhältnis aufweist und bei Vorliegen des Umgebungsluftverhältnisses sowie des Luft/Kraftstoff-Verhältniswerts 11 jeweils das nachstehende Ausgangssignal abgibt: $$\text{OP1}=\mathrm{2,5}\text{ V}+185\mathrm{\Omega }\cdot \mathrm{2,5}\text{ mA}\cdot 5=\mathrm{4,8125}\text{ V}$$

  

  $$\text{OP1}=\mathrm{2,5}\text{ V}+185\mathrm{\Omega }\cdot \left(-\mathrm{1,3}\text{ mA}\right)\cdot 5=\mathrm{1,2975}\text{ V}$$

  
• Der Operationsverstärker 37 ist dagegen dahingehend ausgestaltet, dass er einen Messbereich vom Luft/Kraftstoff-Verhältniswert 12 bis zum Luft/Kraftstoff-Verhältniswert 22 aufweist und bei dem Luft/Kraftstoff-Verhältniswert 22 bzw. dem Luft/Kraftstoff-Verhältniswert 11 jeweils das nachstehende Ausgangssignal abgibt: $$\text{OP2}=\mathrm{2,5}\text{ V}+185\mathrm{\Omega }\cdot \mathrm{0,884}\text{ mA}\cdot 15=\mathrm{4,9531}\text{ V}$$

  

  $$\text{OP2}=\mathrm{2,5}\text{ V}+185\mathrm{\Omega }\cdot \left(-\mathrm{0,79}\text{ mA}\right)\cdot 15=\mathrm{0,30775}\text{ V}$$

  
• Innerhalb des vom Luft/Kraftstoff-Verhältniswert 11 bis zum Umgebungsluftverhältnis reichenden Messbereichs liegt somit das Ausgangssignal OP1 des Operationsverstärkers 36 innerhalb des Betriebsspannungsbereichs (0 bis 5 V) des Analog/Digital-Umsetzers A/D0. Der Operationsverstärker 36 ist somit in der Lage, ein Ausgangssignal abzugeben, das genau innerhalb des größeren bzw. breiteren Messbereichs des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses liegt. Innerhalb des vom Luft/Kraftstoff-Verhältniswert 11 bis zum Luft/Kraftstoff-Verhältniswert 22 reichenden Messbereichs liegt das Ausgangssignal OP2 des Operationsverstärkers 37 innerhalb des Betriebsspannungsbereichs (0 bis 5 V) des Analog/Digital-Umsetzers A/D1. Der Operationsverstärker 37 ist somit in der Lage, ein Ausgangssignal abzugeben, das genau innerhalb des im Bereich des stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnisses definierten begrenzten Messbereichs des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses liegt.
• Wenn die Analog/Digital-Umsetzer A/D0 und A/D1 jeweils von einem 10 Bit-Analog/Digital-Umsetzer gebildet werden, lässt sich die Messwertauflösung in dem Bereich vom Luft/Kraftstoff-Verhältniswert 11 bis zum Umgebungsluftverhältnis numerisch folgendermaßen ausdrücken: $$\left(\mathrm{4,8125}-\mathrm{1,2975}\right)/5\text{ V}\cdot 1024=720$$

  
• Es zeigt sich somit, dass die Messwertauflösung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses den 5-fachen Wert (720/144 = 5) der bei der bekannten Schaltungsanordnung gemäß 16 erzielbaren Messwertauflösung aufweist.
• Wenn die dem Luft/Kraftstoff-Verhältniswert 1 in der Nähe des stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnisses entsprechende Stromänderung 0,2 mA beträgt, ergibt sich eine Messwertauflösung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses von $$\mathrm{0,2}\text{ mA}\cdot 185\mathrm{\Omega }\cdot 15/5\text{ V}\cdot 1024=114$$

  
• Hierbei entspricht die Auflösung einem Luft/Kraftstoff-Verhältniswert von 0,009/Bit geringster Wertigkeit, womit eine zur Erzielung einer Regelung mit hoher Auflösung in der Nähe des stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnisses erforderliche Bedingung erfüllt ist, die darin besteht, dass die Auflösung hier z.B. unter einem Luft/Kraftstoff-Verhältniswert von 0,01 liegen sollte.
• Die Sensorelementimpedanz Zac wird in der vorstehend beschriebenen Weise unter Verwendung der an dem zweiten Anschluss B und dem Anschluss D gemäß 1 auftretenden Spannungsänderungen bestimmt. Die Sensorsteuerschaltung 30 ist derart ausgestaltet, dass die am Anschluss B und am Anschluss D bei der Bestimmung der Impedanz Zac auftretenden Spannungen innerhalb des Betriebsspannungsbereichs (0 bis 5 V) der Analog/Digital-Umsetzer A/D2 und A/D3 liegen. Wenn in den Abgasen bei der Messung der Impedanz Zac das Umgebungsluftverhältnis bzw. der Luft/Kraftstoff-Verhältniswert 11 vorliegt, nimmt die am zweiten Anschluss B auftretende Spannung jeweils den nachstehend wiedergegebenen Wert an, der sich aus der Spannungsänderung am Anschluss D in positiver Richtung ergibt und unter der maximalen Betriebsspannung des Analog/Digital-Umsetzers A/D2 liegt: $$\text{Spannung an B}=\mathrm{2,9625}\text{ V}+185\mathrm{\Omega }\cdot \left(\mathrm{0,3}\text{ V / 28 }\mathrm{\Omega }\right)=\mathrm{4,9446}\text{ V}$$

  

  $$\text{Spannung an B}=\mathrm{2,2595}\text{ V}+185\mathrm{\Omega }\cdot \left(\mathrm{0,3}\text{ V / 28 }\mathrm{\Omega }\right)=\mathrm{4,2416}\text{ V}$$

  
• Wenn die am Anschluss B auftretende Spannung in negativer Richtung verändert wird und eine entsprechende Spannungsänderung am Anschluss D in negativer Richtung auftritt, nimmt die Spannung am Anschluss B den nachstehenden Minimalwert an (bei dem Luft/Kraftstoff-Verhältniswert 11): $$\text{Spannung an B}=\mathrm{2,2595}\text{ V}+185\mathrm{\Omega }\cdot \left(-\mathrm{0,3}\text{ V / 28 }\mathrm{\Omega }\right)=\mathrm{0,2774}\text{ V}$$

  
• Wenn die am Anschluss D auftretende Spannung zur Messung der Impedanz Zac in positiver und negativer Richtung abgelenkt wird, liegt somit die sich ergebende, am Anschluss B auftretende Spannung innerhalb des Betriebsspannungsbereichs (0 bis 5 V) des Analog/Digital-Umsetzers A/D2. Dies ermöglicht eine Messung der Impedanz Zac mit hoher Auflösung.
• Das Gaskonzentrationsmessgerät gemäß diesem Beispiel besitzt somit die nachstehend zusammengefassten vorteilhaften Eigenschaften.
• Das von dem Sensorelement 10 erzeugte und über den Strommesswiderstand 32 geführte Stromsignal wird von den unterschiedliche Verstärkungsfaktoren aufweisenden Operationsverstärkern 36 und 37 verstärkt und sodann dem Mikrocomputer 20 über die Analog/Digital-Umsetzer A/D0 und A/D1 zugeführt. Die Pegel der den Analog/Digital-Umsetzern A/D0 und A/D1 zugeführten Signale werden entweder in Richtung des positiven oder in Richtung des negativen Potentials erweitert, wodurch sich eine verbesserte Auflösung bei der Bestimmung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses ergibt. Die Operationsverstärker 36 und 37 sind zwei verschiedenen Messbereichen des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses zugeordnet, wodurch eine für den jeweiligen Bereich geeignete Verstärkung ermöglicht wird, was zu einer höheren Messgenauigkeit bei der Bestimmung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses über einen gewünschten größeren Bereich von fetten zu mageren Werten hin führt. Die Genauigkeit oder Auflösung bei der Bestimmung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses kann bei jedem der beiden Messbereiche des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses verändert werden.
• Dieses Beispiel des Gaskonzentrationsmessgeräts eignet sich insbesondere für eine Verwendung in Verbindung mit einem laminierten Sensorelement. Bei dem vorstehend beschriebenen laminierten Aufbau des Sensorelements 10 tritt nämlich bei der Messung der Impedanz Zac eine größere Stromänderung im Sensorelement 10 als bei der Messung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses auf, was eine Unsymmetrie des Stroms zur Folge hat. Auch in diesem Fall kann jedoch mit Hilfe dieses Beispiels des Gaskonzentrationsmessgeräts die gewünschte Auflösung bei der Bestimmung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses in jedem der Messbereiche des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses aufrecht erhalten werden.
• Der Operationsverstärker 37 für den begrenzten Messbereich vom Luft/Kraftstoff-Verhältniswert 12 bis zum Luft/Kraftstoff-Verhältniswert 20, der innerhalb des Breitband-Messbereichs vom Luft/Kraftstoff-Verhältniswert 11 bis zum Umgebungsluftverhältnis liegt, besitzt einen höheren Verstärkungsfaktor, wodurch ein verbessertes Auflösungsvermögen bei der Bestimmung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses in dem begrenzten Messbereich des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses erhalten wird. Da der begrenzte Messbereich des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses das stöchiometrische Luft/Kraftstoff-Verhältnis einschließt, ergibt sich insbesondere in der Nähe des stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnisses eine höhere Messwertauflösung, wodurch eine stöchiometrische Regelung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses mit hohem Auflösungsvermögen ermöglicht wird.
• Bei Verwendung des Operationsverstärkers 37 mit dem Verstärkungsfaktor 15 nimmt dessen Ausgangssignal OP2 bei Vorliegen des Umgebungsluftverhältnisses bzw. des Luft/Kraftstoff-Verhältniswerts 11 jeweils den folgenden Wert an: $$\text{OP2}=\mathrm{2,5}\text{ V}+185\mathrm{\Omega }\cdot \mathrm{2,5}\text{ mA}\cdot 15=\mathrm{9,4375}\text{ V}$$

  

  $$\text{OP2}=\mathrm{2,5}\text{ V}+185\mathrm{\Omega }\cdot \left(-\mathrm{1,3}\text{ mA}\right)\cdot 15=\mathrm{1,1075}\text{ V}$$

  
• Diese Werte liegen außerhalb des Betriebsspannungsbereichs von 0 bis 5 V des Analog/Digital-Umsetzers A/D1. Der Operationsverstärker 37 wird von der im Fahrzeug angeordneten Batterie mit Strom versorgt, sodass er keine negative Spannung abgeben kann. Zur Vermeidung dieses Problems weist dieses Beispiel des Gaskonzentrationsmessgeräts zwei Messkanäle für das Luft/Kraftstoff-Verhältnis auf. Der Operationsverstärker 37 dient daher zur Aufrechterhaltung eines hohen Auflösungsvermögens bei der Bestimmung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses innerhalb des begrenzten Messbereichs des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses, während der Operationsverstärker 36 zur Aufrechterhaltung eines hohen Auflösungsvermögens innerhalb eines Bereichs dient, der sich über den von dem Operationsverstärker 37 verarbeiteten begrenzten Messbereich des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses hinaus erstreckt.
• Die Sensorsteuerschaltung 30 kann erfindungsgemäß in der in 5 oder in 6 veranschaulichten Weise modifiziert werden. Hierbei sind die Verbindungen des Anschlusses B und des Anschlusses D mit dem Mikrocomputer 20 mit den Verbindungen gemäß 1 identisch, sodass sie in diesen Figuren nicht enthalten sind.
• Während bei der Schaltungsanordnung gemäß 1 die zwischen den Anschlüssen A und B anstehende, am Strommesswiderstand 32 abfallende Potentialdifferenz von den Operationsverstärkern 36 und 37 jeweils verstärkt wird, sind bei der Schaltungsanordnung gemäß 5 die Operationsverstärker 36 und 37 zur Verstärkung der Potentialdifferenz zwischen der Bezugsspannung Vf und der am Anschluss B auftretenden Spannung ausgestaltet. Hierbei ist die am Anschluss A auftretende Spannung mit der Referenzspannung Vf identisch. Die Sensorschaltung 30 ist daher dahingehend ausgestaltet, dass die Referenzspannung Vf den Operationsverstärkern 36 und 37 über den Operationsverstärker 38 zugeführt wird.
• Bei der Schaltungsanordnung gemäß 1 werden die Ausgangssignale der Operationsverstärker 36 und 37 auf den Anschluss A rückgekoppelt, sodass Rückkopplungsströme über den Strommesswiderstand 32 fließen, was zu einem Fehler bei der Bestimmung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses führen kann. Bei der Schaltungsanordnung gemäß 5 ist daher der Operationsverstärker 38 im Stromrückkopplungskreis zur Unterdrückung der Rückkopplungsströme der Operationsverstärker 36 und 37 angeordnet, wodurch der vorstehend beschriebene Fehler beseitigt und die gewünschte Auflösung bzw. Genauigkeit bei der Bestimmung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses aufrecht erhalten wird. Üblicherweise wird die Bezugsspannung Vf durch eine an zwei Widerständen abfallende Teilspannung gebildet. In einem solchen Fall würden die Rückkopplungsströme der Operationsverstärker 36 und 37 eine unerwünschte Änderung der Bezugsspannung Vf zur Folge haben. Der Operationsverstärker 38 ist zur Unterdrückung einer solchen Spannungsänderung im Stromrückkopplungskreis angeordnet. Wenn jedoch die Bezugsspannung Vf primär gebildet und z.B. von einer Spannungsquelle abgegeben wird, kann der Operationsverstärker 38 in der Sensorsteuerschaltung 30 entfallen.
• Die Sensorsteuerschaltung 30 gemäß 6 umfasst einen Schalter 39, der zwischen dem Anschluss B und den Operationsverstärkern 36 und 37 angeordnet ist. Der Schalter 39 wird abgeschaltet bzw. geöffnet, wenn die Messung der Impedanz Zac erfolgen soll. Die zur Messung der Impedanz Zac erfolgende Ablenkung der an das Sensorelement 10 angelegten Spannung führt nämlich zu einer Änderung des über den Strommesswiderstand 32 fließenden Stroms, was eine unerwünschte Änderung der Ausgangssignale der Operationsverstärker 36 und 37 zur Folge hat, die wiederum zu einem Fehler bei der Bestimmung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses führt. Wenn somit die Messung der Impedanz Zac erfolgen soll, wird der Schalter 39 zur Vermeidung eines solchen Fehlers geöffnet.
• Weiterhin kann die Sensorsteuerschaltung 30 einen Kondensator 40 aufweisen, der den Pegel des von dem Sensorelement 10 unmittelbar vor der Öffnung des Schalters 39 d.h., vor der Messung der Impedanz Zac erzeugten Stromsignals aufrecht erhält. Hierdurch wird die Bestimmung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses auch während der Messung der Impedanz Zac ermöglicht.
• 7 zeigt eine Sensorsteuerschaltung 30 gemäß einem zweiten Beispiel, die dem ersten Beispiel in Bezug auf die Verwendung der beiden Kanäle zur Ausgabe der Bestimmungssignale des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses an den Mikrocomputer 20 ähnlich ist, jedoch das unterschiedliche Merkmal aufweist, dass nur in einem der beiden Kanäle ein Operationsverstärker angeordnet ist. Hierbei wird eines der von dem Sensorelement 10 erzeugten Signale (d.h., das dem Analog/Digital-Umsetzer A/D0 gemäß 1 zugeführte Breitband-Messsignal) direkt dem Mikrocomputer 20 über den zur Bestimmung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses in dem Breitband-Messbereich verwendeten Kanal zugeführt, während ein weiteres Signal (d.h., das dem Analog/Digital-Umsetzer A/D1 gemäß 1 zugeführte Signal für den stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnismessbereich) dem Mikrocomputer 20 über einen Operationsverstärker 41 und den zur Bestimmung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses innerhalb des begrenzten Messbereichs des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses verwendeten Kanal zugeführt wird. Dieser Operationsverstärker 41 besitzt den Verstärkungsfaktor 15.
• Nachstehend wird auf das Auflösungsvermögen dieses Beispiels der Sensorsteuerschaltung 30 bei der Bestimmung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses näher eingegangen.
• Der Messbereich des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses liegt bei diesem Beispiel der Sensorsteuerschaltung 30 wie im Falle des ersten Beispiels zwischen dem Luft/Kraftstoff-Verhältniswert 11 und dem Umgebungsluftverhältnis. Die anderen elektrischen Kennwerte des Sensorelements 10 und der Sensorsteuerschaltung 30 entsprechen denjenigen des ersten Beispiels.
• Das Breitband-Messsignal wird von der am Anschluss B auftretenden Spannung gebildet, die bei Vorliegen des Umgebungsluftverhältnisses bzw. des Luft/Kraftstoff-Verhältniswerts 11 jeweils folgenden Wert annimmt: $$\text{Spannung an B}=\mathrm{2,5}\text{ V}+185\mathrm{\Omega }\cdot \mathrm{2,5}\text{ mA}=\mathrm{2,9625}\text{ V}$$

  

  $$\text{Spannung an B}=\mathrm{2,5}\text{ V}+185\mathrm{\Omega }\cdot \left(-\mathrm{1,3}\text{ mA}\right)=\mathrm{2,2595}\text{ V}$$

  
• Der Operationsverstärker 41 ist für einen Messbereich von dem Luft/Kraftstoff-Verhältniswert 12 bis zu dem Luft/Kraftstoff-Verhältniswert 22 ausgestaltet und gibt ein Ausgangssignal OP3 ab, das bei dem Luft/Kraftstoff-Verhältniswert 22 bzw. dem Luft/Kraftstoff-Verhältniswert 11 jeweils folgenden Wert annimmt: $$\text{OP3}=\mathrm{2,5}\text{ V}+185\mathrm{\Omega }\cdot \mathrm{0,884}\text{ mA}\cdot 15=\mathrm{4,9531}\text{ V}$$

  

  $$\text{OP3}=\mathrm{2,5}\text{ V}+185\mathrm{\Omega }\cdot \left(-\mathrm{0,79}\text{ mA}\right)\cdot 15=\mathrm{0,30775}\text{ V}$$

  
• Das von der Sensorsteuerschaltung 30 direkt dem Mikrocomputer 20 ohne Zwischenschaltung eines Operationsverstärkers zugeführte Signal liegt somit innerhalb des Betriebsspannungsbereichs (0 bis 5 V) des Analog/Digital-Umsetzers A/DO, wodurch eine hohe Auflösung bei der Bestimmung des Breitband-Messbereichs für das Luft/Kraftstoff-Verhältnis gewährleistet ist. Das von der Sensorsteuerschaltung 30 über den Operationsverstärker 41 zugeführte Signal, d.h., das Ausgangssignal OP3, liegt ebenfalls innerhalb des Betriebsspannungsbereichs (0 bis 5 V) des Analog/Digital-Umsetzers A/D1, wodurch ein hohes Auflösungsvermögen bei der Bestimmung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses innerhalb des begrenzten Messbereichs im Bereich des stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnisses gewährleistet wird.
• Wenn die Analog/Digital-Umsetzer A/D0 und A/D1 jeweils von einem 10 Bit-Analog/Digital-Umsetzer gebildet werden, lässt sich die Messwertauflösung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses innerhalb des Bereichs von dem Luft/Kraftstoff-Verhältniswert 11 bis zum Umgebungsluftverhältnis in numerischer Form wie im Falle des ersten Beispiels folgendermaßen ausdrücken: $$\left(\mathrm{2,9625}-\mathrm{2,2595}\right)/5\text{ V}\cdot 1024=144$$

  
• Die Messwertauflösung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses ist somit im wesentlichen identisch mit der Messwertauflösung der Schaltungsanordnung gemäß 16.
• Wenn die dem Luft/Kraftstoff-Verhältniswert 1 in der Nähe des stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnisses entsprechende Stromänderung 0,2 mA beträgt, ergibt sich eine Messwertauflösung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses von $$\mathrm{0,2}\text{ mA}\cdot 185\mathrm{\Omega }\cdot 15\text{ / 5 V}\cdot 1024=114$$

  
• In diesem Fall ergibt sich ein Auflösungsvermögen in Werten des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses von 0,009/Bit geringster Wertigkeit, womit eine zur Erzielung einer Regelung mit hohem Auflösungsvermögen in der Nähe des stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnisses erforderliche Bedingung erfüllt ist, die darin besteht, dass das Auflösungsvermögen hier nicht unter z.B. einem Luft/Kraftstoff-Verhältniswert von 0,01 liegen sollte.
• Die Sensorelementimpedanz Zac wird wie im Falle des ersten Beispiels unter Verwendung der an den Anschlüssen B und D auftretenden Spannungsänderungen bestimmt. Die Sensorsteuerschaltung 30 ist hierbei dahingehend ausgestaltet, dass die an den Anschlüssen B und D bei der Bestimmung der Impedanz Zac auftretenden Spannungen innerhalb des Betriebsspannungsbereichs (0 bis 5 V) der Analog/DigitalUmsetzer A/D2 und A/D3 liegen.
• Die Sensorsteuerschaltung 30 gemäß dem zweiten Beispiel kann gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung außerdem in der in 5 oder in 6 veranschaulichten Weise modifiziert werden.
• Hierbei kann die Sensorsteuerschaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dahingehend ausgestaltet werden, dass bei ihr die Schaltungsanordnung gemäß 5 zur Verstärkung einer Potentialdifferenz zwischen der Bezugsspannung Vf und der am Anschluss B auftretenden Spannung über den Operationsverstärker 41 Verwendung findet. Alternativ kann die Sensorsteuerschaltung 30 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Verwendung der Schaltungsanordnung gemäß 6 dahingehend ausgestaltet werden, dass bei ihr der Schalter 39 und der Kondensator 40 in dem vom Anschluss B des Strommesswiderstands 32 zu einem Verbindungspunkt des Operationsverstärkers 41 verlaufenden Stromkreis angeordnet und ein zu dem Analog/Digital-Umsetzer A/D0 des Mikrocomputers 20 führender Breitband-Messausgangskanal des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses vorgesehen sind, um die Ausgabe einer unerwünschten Änderung des über den Strommesswiderstand 32 fließenden Stroms während der Messung der Impedanz Zac zu vermeiden.
• 8 zeigt eine Sensorsteuerschaltung 30 gemäß einem dritten Beispiel, das sich von dem ersten Beispiel dadurch unterscheidet, dass das Breitband-Messsignal über einen Kanal ausgegeben wird, der einen Operationsverstärker 42 mit dem Verstärkungsfaktor 5 aufweist.
• Nachstehend wird näher auf das Auflösungsvermögen dieses Beispiels der Sensorsteuerschaltung 30 bei der Bestimmung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses eingegangen.
• Der Messbereich des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses liegt bei diesem Beispiel der Sensorsteuerschaltung 30 wie im Falle des ersten Beispiels zwischen dem Luft/Kraftstoff-Verhältniswert 11 und dem Umgebungsluftverhältnis. Die anderen elektrischen Kennwerte des Sensorelements 10 und der Sensorsteuerschaltung 30 entsprechen denjenigen des ersten Beispiels.
• Das Breitband-Messsignal in Form des Ausgangssignals OP4 des Operationsverstärkers 42 nimmt bei Vorliegen des Umgebungsluftverhältnisses bzw. des Luft/Kraftstoff-Verhältniswerts 11 jeweils folgenden Wert an: $$\text{OP4}=\mathrm{2,5}\text{ V}+185\mathrm{\Omega }\cdot \mathrm{2,5}\text{ mA}\cdot 5=\mathrm{4,8125}\text{ V}$$

  

  $$\text{OP4}=\mathrm{2,5}\text{ V}+185\mathrm{\Omega }\cdot \left(-\mathrm{1,35}\text{ mA}\right)\cdot 5=\mathrm{1,2975}\text{ V}$$

  
• Wenn der Analog/Digital-Umsetzer von einem 10 Bit-Analog/Digital-Umsetzer gebildet wird, lässt sich die Messwertauflösung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses in dem Bereich vom Luft/Kraftstoff-Verhältniswert 11 bis zum Umgebungsluftverhältnis in numerischer Form wie bei dem ersten Beispiel ausdrücken: $$\left(\mathrm{4,8125}-\mathrm{1,2975}\right)/5\text{ V}\cdot 1024=720$$

  
• Es zeigt sich somit, dass die Messwertauflösung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses den 5-fachen Wert (720/144 = 5) der Messwertauflösung bei der bekannten Schaltungsanordnung gemäß 16 aufweist.
• Wenn die dem Luft/Kraftstoff-Verhältniswert 1 entsprechende Stromänderung in der Nähe des stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnisses 0,2 mA beträgt, ergibt sich eine Messwertauflösung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses von $$\mathrm{0,2}\text{ mA}\cdot 185\mathrm{\Omega }\cdot 5/\text{ 5 V}\cdot 1024=37$$

  
• In diesem Fall beträgt das Auflösungsvermögen in Luft/Kraftstoff-Verhältniswerten 0,03/Bit geringster Wertigkeit, was in der Nähe des stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnisses ein wenig geringer als bei dem vorstehend beschriebenen Beispiel, jedoch höher als das Auflösungsvermögen der bekannten Schaltungsanordnung gemäß 16 ist.
• Die Sensorelementimpedanz Zac wird wie im Fall des ersten Beispiels unter Verwendung der an den Anschlüssen B und D auftretenden Spannungsänderungen bestimmt. Die Sensorsteuerschaltung 30 ist hierbei dahingehend ausgestaltet, dass die an den Anschlüssen B und D bei der Bestimmung der Impedanz Zac auftretenden Spannungen innerhalb des Betriebsspannungsbereichs (0 bis 5 V) der Analog/DigitalUmsetzer A/D2 und A/D3 liegt.
• Die Sensorsteuerschaltung 30 gemäß diesem dritten Beispiel kann gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung außerdem in der in 5 oder in 6 veranschaulichten Weise modifiziert werden.
• Hierbei kann die Sensorsteuerschaltung 30 unter Verwendung der Schaltungsanordnung gemäß 5 zur Verstärkung der Potentialdifferenz zwischen der Bezugsspannung Vf und der Spannung am Anschluss B über den Operationsverstärker 42 ausgestaltet werden. Alternativ kann die Sensorsteuerschaltung 30 unter Verwendung der Schaltungsanordnung gemäß 6 durch Anordnung des Schalters 39 und des Kondensators 40 in dem vom Anschluss B des Strommesswiderstands 32 zum Operationsverstärker 42 verlaufenden Stromkreis dahingehend ausgestaltet werden, dass die Ausgabe einer unerwünschten Änderung des über den Strommesswiderstand 32 fließenden Stroms während der Messung der Impedanz Zac vermieden wird.
• 9 zeigt eine Sensorsteuerschaltung 30 gemäß einem vierten Bespiel. Bei dem ersten, zweiten und dritten Beispiel ist der Strommesswiderstand 32 jeweils mit dem positiven Anschluss des Sensorelements 10 verbunden, während die Spannungszuführungs-Steuerschaltung 35 mit dem negativen Anschluss des Sensorelements 10 verbunden ist. Die Schaltungsanordnung dieses vierten Beispiels ist dagegen dahingehend ausgestaltet, dass der Strommesswiderstand 32 mit dem negativen Anschluss des Sensorelements 10 und die Spannungszuführungs-Steuerschaltung 35 mit dem positiven Anschluss des Sensorelements 10 verbunden sind. Da gleiche Bezugszahlen die gleichen Bauelemente wie im Fall der vorstehend beschriebenen Beispiele bezeichnen, erübrigt sich eine erneute detaillierte Beschreibung dieser Bauelemente. Die Schaltungsanordnung gemäß diesem Beispiel kann auch jeweils in Verbindung mit dem zweiten Beispiel gemäß 7 und dem dritten Beispiel gemäß 8 Verwendung finden.
• Die zur Messung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses verwendete Spannung sowie die zur Messung der Impedanz Zac verwendete Wechselspannungsänderung werden dem positiven Anschluss des Sensorelements 10 über den Operationsverstärker 34 zugeführt. Bei mageren Abgasen fließt der Strom über den Strommesswiderstand 32 in der Richtung vom Anschluss D zum Anschluss E, wodurch die Spannung am Anschluss E unter die am Anschluss D auftretende Spannung abfällt. Wenn dagegen fette Abgase vorliegen, fließt der Strom über den Strommesswiderstand 32 in der Richtung vom Anschluss E zum Anschluss D, wodurch die Spannung am Anschluss E über die am Anschluss D auftretende Spannung hinaus ansteigt. Dies hat zur Folge, dass der Pegel des von dem Luft/Kraftstoff-Verhältnis abhängigen Potentials invertiert wird, sodass Rückkopplungsströme der Operationsverstärker 36 und 37 zum Anschluss E fließen. Diese Rückkopplungsströme werden von dem Operationsverstärker 31 unterdrückt, sodass sie den über den Strommesswiderstand 32 fließenden Strom nicht beeinflussen. Auf diese Weise entfällt das Erfordernis für einen zusätzlichen Operationsverstärker wie den Operationsverstärker 38 gemäß 5 und 6 zur Unterdrückung der Rückkopplungsströme, wodurch sich ein vereinfachter Schaltungsaufbau ergibt.
• Die Sensorsteuerschaltung 30 kann gemäß einem Ausführungsbeispiel auch unter Verwendung der Schaltungsanordnung gemäß 6 durch Anordnung des Schalters 39 und des Kondensators 40 in dem vom Anschluss E zu den Operationsverstärkern 36 und 37 verlaufenden Stromkreis dahingehend ausgestaltet werden, dass die Ausgabe einer unerwünschten Änderung des über den Strommesswiderstand 32 bei der Messung der Impedanz Zac fließenden Stroms vermieden wird.
• Die Sensorsteuerschaltung 30 kann auch in der nachstehend beschriebenen Weise modifiziert werden. Bei den Schaltungsanordnungen gemäß den 1 und 7 kann nämlich eine 5 V übersteigende und damit die Betriebsspannung des Analog/Digital-Umsetzers A/D1 überschreitende Spannung über den Operationsverstärker 37 oder 41 mit dem Verstärkungsfaktor 15 abgegeben werden, was zu einem Sperren des Analog/Digital-Umsetzers führt. Zum Schutz des Analog/Digital-Umsetzers ist daher eine Begrenzung des Ausgangssignals des Operationsverstärkers 37 oder 41 auf einen in der Nähe der maximalen Betriebsspannung des Analog/Digital-Umsetzers liegenden Wert zweckmäßig. Eine solche Begrenzung kann durch Verwendung von 5 V-Begrenzerschaltungen erfolgen, wie dies nachstehend unter Bezugnahme auf 10 beschrieben ist.
• Bei der Schaltungsanordnung gemäß 10 sind mit den Ausgängen der Operationsverstärker 36 und 37 Klemm- oder Begrenzerschaltungen 51 und 52 verbunden. Die Begrenzerschaltung 51 besteht aus Dioden 51a und 51b sowie einem Widerstand 51c, während die Begrenzerschaltung 52 in ähnlicher Weise aus Dioden 52a und 52b sowie einem Widerstand 52c besteht. Die Diode 51a der Begrenzerschaltung 51 ist mit einem Anschluss P der zu dem Ausgabekanal für das Breitband-Messsignal führenden Ausgangsleitung des Operationsverstärkers 36 verbunden und in Durchlassrichtung mit einer Konstantspannungsquelle Vcc (von 5 V, d.h., der maximalen Betriebsspannung der Analog/Digital-Umsetzer A/D0 und A/D1 des Mikrocomputers 20) gekoppelt. Wenn der Spannungsabfall an der Diode 51a 0,7 V beträgt, wird die am Anschluss P auftretende Spannung auf einem Maximalwert von 5 V + 0,7 V gehalten. Die Begrenzerschaltung 52 ist in Bezug auf ihren Aufbau mit der Begrenzerschaltung 51 identisch, sodass sich eine detaillierte Beschreibung erübrigt. Auf diese Weise werden die Ausgangssignale der Operationsverstärker 36 und 37 auf einen in der Nähe der maximalen Betriebsspannung der Analog/DigitalUmsetzer A/D0 und A/D1 des Mikrocomputers 20 liegenden Wert begrenzt.
• Anstelle der Begrenzerschaltungen 51 und 52 können auch die Begrenzerschaltungen 53 und 54 gemäß 11 Verwendung finden. Die Begrenzerschaltung 53 besteht aus einem PNP-Transistor 53a, einer Diode 53b sowie Widerständen 53c und 53d, während die Begrenzerschaltung 54 in ähnlicher Weise aus einem PNP-Transistor 54a, einer Diode 54b sowie Widerständen 54c und 54d besteht. Der Transistor 53a der Begrenzerschaltung 53 ist über seinen Emitter mit einem Anschluss Q der mit dem Ausgabekanal für das Breitband-Messsignal verbundenen Ausgangsleitung des Operationsverstärkers 36 und über seine Basis mit einer Bezugsspannungs-Zuführungsschaltung verbunden, die von einer Konstantspannungsquelle Vcc (5 V), der Diode 53b und dem Widerstand 53c gebildet wird. Die Diode 53b ist hierbei mit der Konstantspannungsquelle Vcc in Sperrrichtung verbunden. Wenn der Spannungsabfall an der Diode 53b 0,7 V beträgt, wird die der Basis des Transistors 53a zugeführte Spannung auf 4,3 V gehalten. Wenn der Emitter-Basis-Spannungsabfall am Transistor 53a 0,7 V beträgt, wird der Anschluss Q auf annähernd 5 V gehalten. Der Aufbau der Begrenzerschaltung 54 ist mit dem Aufbau der Begrenzerschaltung 53 identisch, sodass sich eine detaillierte Beschreibung erübrigt. Auf diese Weise werden die Ausgangssignale der Operationsverstärker 36 und 37 somit auf in der Nähe der maximalen Betriebsspannung der Analog/DigitalUmsetzer A/D0 und A/D1 des Mikrocomputers 20 liegende Werte begrenzt.
• Die Sensorsteuerschaltung 30 gemäß dem ersten, dem zweiten und dem vierten Beispiel ist zwar dahingehend ausgestaltet, dass zwei Messbereiche des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses vorgesehen sind, nämlich der vom Luft/Kraftstoff-Verhältniswert 11 bis zum Umgebungsluftverhältnis reichende Breitband-Messbereich und der vom Luft/Kraftstoff-Verhältniswert 12 bis zum Luft/Kraftstoff-Verhältniswert 22 reichende Schmalband-Messbereich, jedoch können auch drei oder mehr Messbereiche für das Luft/Kraftstoff-Verhältnis vorgesehen werden. Alternativ können der Breitband-Messbereich und der Schmalband-Messbereich des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses auch durch andere Werte als die vorstehend beschriebenen Luft/Kraftstoff-Verhältniswerte definiert sein. So kann z.B. einer der beiden Bereiche zwischen den Luft/Kraftstoff-Verhältniswerten 11 und 22 liegen, während der andere Bereich zwischen dem Luft/Kraftstoff-Verhältniswert 11 und dem Umgebungsluftverhältnis liegt. Zusätzlich können sich die beiden Bereiche auch teilweise überdecken oder voneinander getrennt sein.
• Hierbei kann die Sensorsteuerschaltung 30 einen ersten Verstärker, der einen Verstärkungsfaktor m aufweist und zur Erzeugung eines ersten Messsignals zur Bestimmung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses innerhalb eines ersten Messbereichs des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses dient, und einen zweiten Verstärker umfassen, der einen Verstärkungsfaktor n (> m) aufweist und zur Erzeugung eines zweiten Messsignals zur Bestimmung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses innerhalb eines in Bezug auf den ersten Messbereich des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses unterschiedlichen zweiten Messbereichs des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses dient.
• Die Sensorsteuerschaltung 30 führt bei jedem Beispiel und Ausführungsbeispiel zwar die Bestimmung der Sensorelementimpedanz Zac als Funktion der Änderung des von dem Sensorelement 10 erzeugten und von dem Widerstand 32 gemessenen Stroms durch, kann jedoch auch dahingehend ausgestaltet sein, dass die von dem Sensorelement 10 erzeugte Stromänderung oder Spannungsänderung ohne Verwendung des Widerstands 32 gemessen wird oder kann alternativ auch dahingehend ausgestaltet sein, dass keine Messung der Sensorelementimpedanz Zac erfolgt.
• Ferner kann die Sensorsteuerschaltung 30 auch in Verbindung mit einem Sensorelement anderer Art als das in 2 dargestellte Sensorelement Verwendung finden, wobei z.B. das in 12 veranschaulichte Sensorelement 60 in Betracht gezogen werden kann. Das Sensorelement 60 umfasst zwei Festelektrolytschichten 61 und 62. An den einander gegenüber liegenden Oberflächen der Festelektrolytschicht 61 sind Elektroden 62 und 64 angebracht, während an den einander gegenüber liegenden Oberflächen der Festelektrolytschicht 62 in ähnlicher Weise Elektroden 65 und 66 angebracht sind. Die Elektroden 63, 64 und 65 sind in der Zeichnung zwar in Form von rechten und linken separaten Elementen dargestellt, werden in der Praxis jedoch von einer einzigen Platte mit einem in der Zeichnung in Querrichtung verlaufenden (nicht dargestellten) Verbindungsabschnitt gebildet.
• Die Festelektrolytschicht 61 und die Elektroden 63 und 64 bilden die sog. Pumpzelle 71, während die Festelektrolytschicht 62 und die Elektroden 65 und 66 eine Sauerstoffsensorzelle 72 bilden. Das Sensorelement 60 umfasst außerdem eine Gaseinlassöffnung 67, über die Abgase der Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs eintreten, sowie eine poröse Diffusionsschicht 68, einen Luftkanal 69 und ein Heizelement 70. Der Aufbau und die Wirkungsweise eines Sensorelements dieser Art sind z.B. in der US 6 295 862 B1 der Anmelderin beschrieben, auf deren Offenbarung im Rahmen der nachstehenden Beschreibung Bezug genommen wird.
• Das an der Elektrode 66 der Sauerstoffsensorzelle 72 auftretende Potential wird dem negativen (-) Eingang eines Vergleichers 82 zugeführt. Der positive (+) Eingang des Vergleichers 82 wird mit einer Bezugsspannung Vref beaufschlagt. Zwischen der Elektrode 63 der Pumpzelle 71 und dem Ausgang des Vergleichers 82 ist ein Strommesswiderstand 83 angeordnet. Das Sensorelement 60 gibt elektrische Signale als Sensorausgangssignale über Anschlüsse A und B ab, die mit den Endanschlüssen des Widerstands 83 verbunden sind.
• Die Sauerstoffsensorzelle 72 erzeugt eine Quellenspannung (EMK) mit zwei diskreten Werten (von z.B. 0 V und 0,9 V) in Abhängigkeit davon, ob sich der jeweilige Abgaszustand auf der fetten Seite oder der mageren Seite des stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnisses befindet. Wenn der Abgaszustand im mageren Bereich liegt, erzeugt die Sauerstoffsensorzelle 72 eine niedrigere Quellenspannung (EMK), sodass der Pegel des Ausgangssignals des Vergleichers 82 (d.h., die am Anschluss B auftretende Spannung) ansteigt. Dies hat zur Folge, dass über den Strommesswiderstand 83 ein Strom in der Richtung vom Anschluss B zum Anschluss A fließt. Wenn dagegen der Abgaszustand im fetten Bereich liegt, erzeugt die Sauerstoffsensorzelle 72 eine höhere Quellenspannung (EMK), sodass der Pegel des Ausgangssignals des Vergleichers 82 (d.h., die am Anschluss B auftretende Spannung) abfällt. Dies hat zur Folge, dass über den Strommesswiderstand 83 ein Strom in der Richtung vom Anschluss A zum Anschluss B fließt. Die Sauerstoffsensorzelle 72 wird in diesem Zusammenhang auch als Quellenspannungszelle oder Sauerstoffkonzentrations-Messzelle bezeichnet.
• 13 zeigt eine Sensorsteuerschaltung 80 mit einem Luft/Kraftstoff-Sensor, bei dem das Sensorelement 60 gemäß 12 Verwendung findet.
• Die Sensorsteuerschaltung 80 umfasst eine Bezugsspannungsquelle 81, Operationsverstärker 82, 85 und 86 sowie eine Bezugsspannungs-Generatorschaltung 84. Die Bezugsspannungsquelle 81 ist mit einem gemeinsamen Verbindungspunkt der Sauerstoffsensorzelle 72 und der Pumpzelle 71 gekoppelt. Hierbei bilden die Sauerstoffsensorzelle 72 und die Pumpzelle 71 zusammen mit dem Operationsverstärker 82 und dem Widerstand 83 einen geschlossenen Stromkreis bzw. Regelkreis. Die Bezugsspannungs-Generatorschaltung 84 dient zum Anlegen einer Bezugsspannung Vref (von z.B. 0,45 V) an den nichtinvertierenden Eingang (+) des Operationsverstärkers 82. Bei mageren Abgasen fließt der Strom in der vorstehend beschriebenen Weise in der Richtung vom Anschluss B zum Anschluss A über den Strommesswiderstand 83. Bei fetten Abgasen fließt dagegen der Strom in der Richtung vom Anschluss A zum Anschluss B über den Strommesswiderstand 83. Die Sensorsteuerschaltung 80 umfasst außerdem einen (nicht dargestellten) Rückkopplungskreis, der die an die Pumpzelle 71 angelegte Spannung derart steuert, dass die Ausgangsspannung der Sauerstoffsensorzelle 72 auf einen Sollwert eingeregelt wird. Die Regelung ist an sich bekannt, sodass sich eine detaillierte Beschreibung erübrigt.
• Der Operationsverstärker 85 besitzt den Verstärkungsfaktor 5 und ist mit den Anschlüssen A und B des Widerstands 83 verbunden. Der Operationsverstärker 85 dient zur Erzeugung des Breitband-Messsignals, das zur Bestimmung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses innerhalb des z.B. vom Luft/Kraftstoff-Verhältniswert 11 bis zum Umgebungsluftverhältnis reichenden Breitband-Messbereichs (d.h., innerhalb des gesamten Messbereichs des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses) Verwendung findet. Der Operationsverstärker 86 besitzt den Verstärkungsfaktor 15 und ist mit den Anschlüssen A und B des Widerstands 83 verbunden. Der Operationsverstärker 86 dient zur Erzeugung des Messsignals für den stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Messbereich, das zur Bestimmung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses innerhalb des z.B. vom Luft/Kraftstoff-Verhältniswert 12 bis zum Luft/Kraftstoff-Verhältniswert 22 reichenden und das stöchiometrische Luft/Kraftstoff-Verhältnis einschließenden Schmalband-Messbereichs des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses Verwendung findet.
• Mit Hilfe der Sensorsteuerschaltung 80 lässt sich wie im Falle des ersten Beispiels der Vorteil erzielen, dass die Messwertauflösung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses über den gesamten Messbereich von Luft/Kraftstoff-Verhältniswerten hinweg verbessert wird.
• Bei der Sensorsteuerschaltung 80 verändern sich die beiden an den Anschlüssen A und B auftretenden Spannungen. In 14 ist eine Schaltungsanordnung veranschaulicht, die dahingehend ausgestaltet ist, dass die an einem der Anschlüsse A und B auftretende Spannung auf einem konstanten Wert gehalten wird.
• Bei der Sensorsteuerschaltung 90 wird eine mit einer Referenzspannung Vf1 (von z.B. 3 V) identische Spannung an den gemeinsamen Anschluss der Pumpzelle 71 und der Sauerstoffsensorzelle 72 über einen Operationsverstärker 93 angelegt. Die am Anschluss B auftretende Spannung wird daher auf 3 V gehalten. Die Sensorsteuerschaltung 90 umfasst ebenfalls einen aus der Sauerstoffsensorzelle 72, einer Rückkopplungsschaltung 91 und einem Strommesswiderstand 92 bestehenden geschlossenen Stromkreis bzw. Regelkreis. Die Rückkopplungsschaltung 91 ist hierbei zur Erzeugung einer Referenzspannung Vf2 von z.B. 2,55 V ausgestaltet.
• Nachstehend wird die Wirkungsweise der Sensorsteuerschaltung 90 anhand eines Beispiels näher beschrieben, bei dem davon ausgegangen wird, dass fette Abgase vorliegen.
• Wenn fette Abgase vorliegen, erzeugt die Sauerstoffsensorzelle 72 eine Quellenspannung (EMK) und hebt hierdurch die Spannung am Anschluss C1 auf bis zu 3,45 V an, sodass das Potential am Anschluss C2 der Rückkopplungsschaltung 91 abfällt. Dies führt wiederum zu einem Anstieg des Ausgangssignals der Rückkopplungsschaltung 91 und damit der Spannung am Anschluss A. Der Strom fließt somit in der Richtung vom Anschluss A zum Anschluss B über den Strommesswiderstand 83. Wenn dagegen magere Abgase vorliegen, fließt der Strom in der Richtung vom Anschluss B zum Anschluss A über den Strommesswiderstand 83.
• Die Sensorsteuerschaltung 90 umfasst außerdem Operationsverstärker 94 und 95, die mit den Anschlüssen A und B des Strommesswiderstands 92 verbunden sind. Der Operationsverstärker 94 besitzt den Verstärkungsfaktor 5 und dient zur Erzeugung des Breitband-Messsignals, das zur Bestimmung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses innerhalb des z.B. vom Luft/Kraftstoff-Verhältniswert 11 bis zum Umgebungsluftverhältnis reichenden Breitband-Messbereichs des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses (d.h., dem Gesamtbereich der Luft/Kraftstoff-Verhältniswerte) Verwendung findet. Der Operationsverstärker 95 besitzt den Verstärkungsfaktor 15 und dient zur Erzeugung des Messsignals für den stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Messbereich, das zur Bestimmung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses innerhalb des z.B. vom Luft/Kraftstoff-Verhältniswert 12 bis zum Luft/Kraftstoff-Verhältniswert 22 reichenden und das stöchiometrische Luft/Kraftstoff-Verhältnis einschließenden Schmalband-Messbereichs des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses Verwendung findet.
• Mit Hilfe der Sensorsteuerschaltung 90 lässt sich wie im Falle des ersten Beispiels der Vorteil erzielen, dass eine höhere Messwertauflösung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses über den Gesamtbereich der Luft/Kraftstoff-Verhältniswerte hinweg erhalten wird.
• In 15 ist ein weiteres Sensorelement 100 veranschaulicht, das bei jedem der vorstehend beschriebenen Beispiele und Ausführungsbeispiele des Gaskonzentrationsmessgeräts Verwendung finden kann.
• Das Sensorelement 100 umfasst drei Festelektrolytschichten 101, 102 und 103. An den einander gegenüber liegenden Oberflächen der Festelektrolytschicht 101 sind Elektroden 104 und 105 angebracht, während an den einander gegenüber liegenden Oberflächen der Festelektrolytschicht 102 in ähnlicher Weise Elektroden 106 und 107 angebracht sind. Die Festelektrolytschicht 101 und die Elektroden 104 und 105 bilden zusammen eine Pumpzelle 111, während die Festelektrolytschicht 102 und die Elektroden 106 und 107 eine Sauerstoffsensorzelle 112 bilden. Die Festelektrolytschicht 103 bildet eine Wand, in der eine Sauerstoff-Referenzkammer 108 ausgebildet ist. Das Sensorelement 100 ist wie das vorstehend beschriebene Beispiel eines Sensorelements in Form einer Schichtanordnung aufgebaut und umfasst außerdem eine poröse Diffusionsschicht 109 sowie eine Gaskammer 110, in die die Abgase der Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs eintreten. Die Wirkungsweise der Sauerstoffsensorzelle 112 entspricht der Wirkungsweise der Sauerstoffsensorzelle 72 gemäß 12.
• Das an der Elektrode 107 der Sauerstoffsensorzelle 112 auftretende Potential wird dem negativen (-) Eingang eines Vergleichers 113 zugeführt, während dem positiven (+) Eingang des Vergleichers 113 eine Bezugsspannung Vref zugeführt wird. Zwischen der Elektrode 104 der Pumpzelle 111 und dem Ausgang des Vergleichers 113 ist ein Strommesswiderstand 114 angeordnet. Das Sensorelement 100 gibt elektrische Signale als Sensorausgangssignale über Anschlüsse A und B ab, die mit den Endanschlüssen des Widerstands 114 verbunden sind.
• Die Zweizellen-Sensorelemente 60 und 100 gemäß den 12 und 15 sind zur Steuerung der an die Sauerstoffsensorzellen 72 und 112 angelegten Spannung für eine in einem Zyklus erfolgende Messung des Innenwiderstands der Sauerstoffsensorzellen 72 und 112 ausgestaltet. Wenn z.B. bei dem Sensorelement 100 ein Innenwiderstands-Messzyklus einsetzt, wird die Sauerstoffsensorzelle 112 zur Erzeugung eines vorgegebenen Stroms angesteuert, was zu einer Änderung der Spannung an der Sauerstoffsensorzelle 112 in Abhängigkeit von deren Innenwiderstand führt. Die Sensorsteuerschaltung 30 überwacht diese Spannungsänderung zur Bestimmung des Innenwiderstands der Sauerstoffsensorzelle 112. Hierbei steuert die Sensorsteuerschaltung 30 die Sauerstoffsensorzelle 112 zur Erzeugung eines Konstantstroms mit umgekehrter Polarität zu der in der Sauerstoffsensorzelle 112 auftretenden Quellenspannung (EMK) für eine vorgegebene Zeitdauer an und misst die Änderung der an der Sauerstoffsensorzelle 112 auftretenden Spannung. Die Sensorsteuerschaltung 30 kann auch in ähnlicher Weise eine an der Pumpzelle 111 auftretende Spannungsänderung zur Bestimmung des Innenwiderstands der Pumpzelle 111 messen. Nach Beendigung der Messung des Innenwiderstands kann die Sensorsteuerschaltung 30 einen Strom mit der umgekehrten Polarität in Bezug zu dem zur Messung des Innenwiderstands erzeugten Strom für eine vorgegebene Zeitdauer erzeugen, um das Sensorelement 100 schnell in einen Zustand zurück zu führen, der die Messung der Sauerstoffkonzentration (O₂) erlaubt.
• So kann z.B. die Messung des Innenwiderstands der Sauerstoffsensorzelle 112 erfolgen, indem ein Wechselstrom-Impulssignal mit einer konstanten Frequenz (von z.B. einigen kHz) an die Sauerstoffsensorzelle 112 angelegt und die Änderung der an der Sauerstoffsensorzelle 112 auftretenden Spannung überwacht wird, die eine Funktion des Innenwiderstands der Sauerstoffsensorzelle 112 darstellt.
• Bei jedem der vorstehend beschriebenen Beispiele und Ausführungsbeispiele des Gaskonzentrationsmessgeräts kann ein Verbund- oder Komposit-Gaskonzentrationssensor Verwendung finden, der eine erste und eine zweite Zelle aufweist, die jeweils aus einem Festelektrolytkörper bestehen. Die erste Zelle dient als Pumpzelle zum Herauspumpen von Sauerstoffmolekülen aus einer in dem Sensorkörper ausgebildeten ersten Gaskammer oder Hineinpumpen von Sauerstoffmolekülen in die erste Gaskammer und Abgabe eines die Konzentration der gepumpten Sauerstoffmoleküle angebenden Signals. Die zweite Zelle dient als Sensorzelle zur Erzeugung eines Signals, das die Konzentration eines vorgewählten Bestandteils von aus der ersten Gaskammer in eine zweite Gaskammer strömenden Gasen angibt. Ein solcher Komposit-Gaskonzentrationssensor kann z.B. zur Messung der in den Abgasen von Kraftfahrzeug-Brennkraftmaschinen enthaltenen NOx-Konzentration dienen. Weiterhin kann der Komposit-Gaskonzentrationssensor auch eine als Überwachungszelle oder als zweite Pumpzelle dienende dritte Zelle zur Messung der Konzentration von in der zweiten Gaskammer verbleibenden Sauerstoffmolekülen aufweisen.
• Alternativ kann der Gaskonzentrationssensor auch zur Messung der Konzentration von HC oder CO in den Abgasen von Kraftfahrzeug-Brennkraftmaschinen ausgestaltet sein. Die Messung der Konzentration von HC oder CO wird hierbei durch Abpumpen überschüssigen Sauerstoffs (O₂) aus der ersten Gaskammer unter Verwendung der Pumpzelle sowie durch Aufspaltung von HC oder CO in den in die zweite Gaskammer eintretenden Gasen unter Verwendung der Sensorzelle zur Bildung eines die Konzentration von HC oder CO angebenden elektrischen Signals erzielt.
• Alternativ kann das vorstehend beschriebene Gaskonzentrationsmessgerät natürlich auch zur Messung der Konzentration eines anderen Gases als eines vorgewählten Bestandteils der Abgasemissionen von Kraftfahrzeug-Brennkraftmaschinen Verwendung finden.
• Das vorstehend in Verbindung mit einer Regelung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses bei Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen beschriebene Gaskonzentrationsmessgerät umfasst somit ein in Form einer Schichtanordnung aufgebautes laminiertes Sensorelement sowie eine Sensorschaltung. Die Sensorschaltung weist einen Strommesswiderstand, zumindest einen Verstärker und Analog/Digital-Umsetzer auf. Der Strommesswiderstand dient zur Messung eines über das Sensorelement fließenden Stromsignals, das bei Anlegen einer Spannung an das Sensorelement erzeugt wird. Der Verstärker dient zur Verstärkung des Stromsignals für dessen Zuführung zu einem der Analog/Digital-Umsetzer zur Bestimmung der Konzentration des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses innerhalb eines Messbereichs aus einer Vielzahl von Messbereichen, die innerhalb eines breiten Gaskonzentrationsmessbereichs festgelegt sind. Die Verstärkung des Stromsignals führt zu einer Vergrößerung des Pegels des Eingangssignals für den Analog/Digital-Umsetzer, wodurch das Auflösungsvermögen bei der Bestimmung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses verbessert wird.

Claims (18)

1. Sensorsteuerschaltung für einen Gaskonzentrationssensor mit einem aus einem Festelektrolytmaterial bestehenden Sensorelement (10, 60, 100), das zur Erzeugung eines elektrischen Signals als Funktion der Konzentration eines vorgewählten Bestandteils von Gasen über einen gegebenen breiten Gaskonzentrations-Messbereich ausgestaltet ist, wobei die Sensorsteuerschaltung aufweist: eine einen Strommesswiderstand (32), eine Vielzahl von Verstärkern und Analog/Digital-Umsetzer (A/DO; A/D1) aufweisende Sensorschaltung (30) zum Anlegen einer Spannung an das Sensorelement (10, 60, 100), bei der der Strommesswiderstand (32) zur Messung eines über das Sensorelement (10, 60, 100) fließenden, beim Anlegen der Spannung an das Sensorelement (10, 60, 100) erzeugten Stromsignals dient und die Verstärker unterschiedliche vorgegebene Verstärkungsfaktoren aufweisen, das von dem Strommesswiderstand (32) gemessene Stromsignal verstärken und das verstärkte Stromsignal den Analog/Digital-Umsetzern (A/D0; A/D1) zur Bestimmung der Konzentration des vorgewählten Gasbestandteils in einer Vielzahl von Messbereichen zuführen, die jeweils innerhalb des gegebenen breiten Gaskonzentrations-Messbereichs festgelegt sind, wobei jeder Verstärker mit dem Strommesswiderstand (32) derart verbunden ist, dass die an einem der Endanschlüsse des Strommesswiderstands (32) auftretende Spannung an den positiven Eingang eines entsprechenden Operationsverstärkers (36, 37) angelegt wird, die Spannung an dem anderen der Endanschlüsse des Strommesswiderstands (32) auf einer Bezugsspannung (Vf) gehalten wird; dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorschaltung (30) einen Rückkopplungsstromkreis für jeden Verstärker aufweist, wobei in jedem Rückkopplungsstromkreis ein dritter Operationsverstärker (38) zur Unterdrückung des Rückkopplungsstroms des entsprechenden Verstärkers angeordnet ist, der positive Anschluss des dritten Operationsverstärkers (38) auf der Bezugsspannung (Vf) gehalten wird, und der negative Anschluss des dritten Operationsverstärkers (38) direkt mit dem Ausgang des dritten Operationsverstärkers (38) und über einen entsprechenden Widerstand mit dem negativen Eingang des entsprechenden Operationsverstärkers (36, 37) verbunden ist.
2. Sensorsteuerschaltung nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl der Messbereiche einen ersten Messbereich und einen zweiten Messbereich umfasst, der enger als der erste Messbereich ist, und dass die Vielzahl der Verstärker einen ersten Verstärker mit dem Verstärkungsfaktor m, der zur Erzeugung eines Breitband-Ausgangssignals zur Bestimmung der Konzentration des vorgewählten Gasbestandteils in dem ersten Messbereich dient, und einen zweiten Verstärker mit dem Verstärkungsfaktor n umfasst, der zur Erzeugung eines Schmalband-Ausgangssignals zur Bestimmung der Konzentration des vorgewählten Gasbestandteils in dem zweiten Messbereich dient, wobei der Verstärkungsfaktor m kleiner als der Verstärkungsfaktor n ist.
3. Sensorsteuerschaltung nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl der Messbereiche einen die Gesamtheit des gegebenen breiten Gaskonzentrations-Messbereiches einnehmenden Gesamtmessbereich und einen einen Teil des Gesamtmessbereichs einnehmenden Teilmessbereich umfasst und dass die Vielzahl der Verstärker einen ersten Verstärker mit dem Verstärkungsfaktor m, der zur Erzeugung eines Breitband-Ausgangssignals zur Bestimmung der Konzentration des vorgewählten Gasbestandteils innerhalb des Gesamtmessbereichs dient, und einen zweiten Verstärker mit dem Verstärkungsfaktor n umfasst, der zur Erzeugung eines Schmalband-Ausgangssignals zur Bestimmung der Konzentration des vorgewählten Gasbestandteils innerhalb des Teilmessbereichs dient, wobei der Verstärkungsfaktor m kleiner als der Verstärkungsfaktor n ist.
4. Sensorsteuerschaltung nach Anspruch 1, mit einer Widerstandsmessschaltung, die zur Änderung einer Spannung oder eines Stroms, die in Form einer Wechselspannung oder eines Wechselstroms an das Sensorelement (10, 60, 100) angelegt werden, und Messung der sich ergebenden Spannungsänderung oder der sich ergebenden Stromänderung zur Bestimmung des Widerstandswerts des Sensorelements (10, 60, 100) ausgestaltet ist.
5. Sensorsteuerschaltung nach Anspruch 1, mit einer Widerstandsmessschaltung, die zur Änderung einer Spannung oder eines Stroms, die in Form einer Wechselspannung oder eines Wechselstroms an das Sensorelement (10, 60, 100) angelegt werden, und Messung der sich ergebenden Spannungsänderung oder der sich ergebenden Stromänderung über den Strommesswiderstand (32) zur Bestimmung des Widerstandswerts des Sensorelements (10, 60, 100) ausgestaltet ist.
6. Sensorsteuerschaltung nach Anspruch 1, wobei der Strommesswiderstand (32) einen ersten und einen zweiten Anschluss (A, B) aufweist, und dass die Sensorschaltung (30) zum Anlegen einer festen Bezugsspannung an den ersten Anschluss des Strommesswiderstands (32), Änderung entweder der Spannung oder des Stroms, die dem Sensorelement (10, 60, 100) zugeführt wird, in Form einer Wechselspannung oder in Form eines Wechselstroms und Messung der sich ergebenden, am zweiten Anschluss (B) auftretenden Spannung zur Bestimmung des Widerstandswerts des Sensorelements (10, 60, 100) ausgestaltet ist und einen Schalter (39) aufweist, der zur Unterbrechung und Herstellung der Verbindung zwischen dem zweiten Anschluss (B) und den Verstärkern dient.
7. Sensorsteuerschaltung nach Anspruch 6, wobei die Sensorschaltung (30) einen zwischen dem Schalter (39) und den Verstärkern angeordneten Kondensator (40) aufweist, durch den die unmittelbar vor dem Öffnen des Schalters (39) auftretende Spannung aufrecht erhalten wird.
8. Sensorsteuerschaltung nach Anspruch 1, wobei die Sensorschaltung (30) Begrenzerschaltungen (51, 52; 53, 54) aufweist, die zu den Ausgängen der Verstärker führenden jeweiligen Ausgangsleitungen zugeordnet und jeweils derart ausgestaltet sind, dass das Ausgangssignal eines jeweiligen Verstärkers innerhalb des Betriebsspannungsbereichs des entsprechenden Analog/Digital-Umsetzers (A/DO; AD1) gehalten wird.
9. Sensorsteuerschaltung nach Anspruch 8, wobei die Begrenzerschaltungen (51, 52) jeweils eine Diode (51a, 51b, 52a, 52b) und eine Konstantspannungsquelle (Vcc) aufweisen, dass die Diode (51a, 51b, 52a, 52b) an ihren Endanschlüssen mit der Ausgangsleitung eines entsprechenden Verstärkers verbunden ist und dass die Konstantspannungsquelle (Vcc) in Durchlassrichtung von der Ausgangsleitung zu der Konstantspannungsquelle (Vcc) eine Konstantspannung erzeugt, die im Wesentlichen mit der maximalen Betriebsspannung eines entsprechenden Analog/Digital-Umsetzers (A/DO; A/D1) identisch ist.
10. Sensorsteuerschaltung nach Anspruch 8, wobei die Begrenzerschaltungen (53, 54) jeweils einen PNP-Transistor (53a, 54a) und eine Konstantspannungsquelle (Vcc) aufweisen, dass der PNP-Transistor (53a, 54a) über seinen Emitter mit der Ausgangsleitung eines entsprechenden Verstärkers und über seine Basis mit der Konstantspannungsquelle (Vcc) verbunden ist, dass die Konstantspannungsquelle (Vcc) eine Konstantspannung erzeugt, die mit der maximalen Betriebsspannung eines entsprechenden Analog/Digital-Umsetzers (A/DO, A/D1) im Wesentlichen identisch ist, und dass die Begrenzerschaltungen (53, 54) jeweils derart ausgestaltet sind, dass die an der Basis des PNP-Transistors (53a, 53b) auftretende Eingangsspannung mit einem Wert identisch ist, der durch Subtraktion des Basis-Emitter-Spannungsabfalls des PNP-Transistors (53a, 53b) von der von der Konstantspannungsquelle (Vcc) erzeugten Konstantspannung erhalten wird.
11. Gaskonzentrationsmessgerät mit einer Sensorsteuerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 und dem Sensorelement.
12. Gaskonzentrationsmessgerät nach Anspruch 11 mit einer Sensorsteuerschaltung nach Anspruch 4, wobei das Sensorelement (10, 60, 100) dahingehend ausgestaltet ist, dass die Stromänderung zur Bestimmung des Widerstandswertes des Sensorelements (10, 60, 100) größer als das Stromsignal ist.
13. Gaskonzentrationsmessgerät nach Anspruch 11, wobei das Sensorelement (10, 60, 100) von einer Schichtanordnung aus einer Festelektrolytplatte (11), einer Diffusionswiderstandsschicht (12) und einer Isolierschicht (14) mit einer darin ausgebildeten Sauerstoff-Referenzkammer (17) gebildet wird.
14. Gaskonzentrationsmessgerät nach Anspruch 11, wobei das Sensorelement (10, 60, 100) zur Messung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses eines verbrannten Gases über den gegebenen breiten Gaskonzentrations-Messbereich hinweg ausgestaltet ist.
15. Gaskonzentrationsmessgerät nach Anspruch 11 mit einer Sensorsteuerschaltung nach Anspruch 3, wobei das Sensorelement (10, 60, 100) zur Messung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses eines verbrannten Gases über den gegebenen breiten Gaskonzentrations-Messbereich hinweg ausgestaltet ist, und dass der Teilmessbereich das stöchiometrische Luft/KraftstoffVerhältnis einschließt.
16. Gaskonzentrationsmessgerät nach Anspruch 11, wobei das Sensorelement (60, 100) von einer Schichtanordnung aus einer Pumpzelle (71), die zum Hineinpumpen von Sauerstoff in eine in dem Sensorelement (60, 100) ausgebildete und mit den Gasen gefüllte Gaskammer (110) und Abpumpen des Sauerstoffs aus der mit den Gasen gefüllten Gaskammer (110) dient, und einer Sauerstoffsensorzelle (72) gebildet wird, die zur Erzeugung eines Signals als Funktion der Konzentration von in den Gasen enthaltenem Sauerstoff dient, und dass die Sensorschaltung (30) die Pumpzelle (71) derart steuert, dass das von der Sauerstoffsensorzelle (72) abgegebene Signal auf einem gegebenen Wert gehalten wird.
17. Gaskonzentrationsmessgerät nach Anspruch 16, wobei das Sensorelement (10, 60, 100) von einem Luft/Kraftstoff-Sensor (60, 100) gebildet wird, der zur Messung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses eines verbrannten Gases über den gegebenen breiten Gaskonzentrations-Messbereich hinweg ausgestaltet ist.
18. Gaskonzentrationsmessgerät nach Anspruch 11, wobei das Sensorelement (10, 60, 100) eine Vielzahl von Zellen aus einem Festelektrolytmaterial umfasst, von denen eine Zelle eine erste Zelle bildet, die zum Hineinpumpen von Sauerstoff in eine in dem Sensorelement ausgebildete und mit den Gasen gefüllte Gaskammer (110) oder Abpumpen von Sauerstoff aus der mit den Gasen gefüllten Gaskammer (110) dient, und eine weitere Zelle eine zweite Zelle bildet, die zur Erzeugung eines Signals als Funktion der Konzentration des vorgewählten Gasbestandteils dient, in den von der ersten Zelle Sauerstoff hineingepumpt oder aus dem von der ersten Zelle Sauerstoff abgepumpt worden ist.

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