DE19509027C2 - Kohlenmonoxid-Sensor - Google Patents

Kohlenmonoxid-Sensor

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Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Kohlen­ monoxid-Sensor zum Bestimmen von Kohlenmonoxid in einem Gas, insbesondere von seiner Konzentration dem Gas. Durch den Sensor der vorliegenden Erfindung wird der Fehler verringert, der durch Sauerstoff in dem zu messenden Gas verursacht wird.
Kohlenmonoxid ist ein farbloses, geruchloses und toxisches Gas. Der Kohlenmonoxid-Sensor kann industriell und privat verwendet werden.
Es ist wichtig, eine Kohlenmonoxid-Konzentration in einem Abgas von einer Verbrennungsmaschine zu bestimmen, da die Konzentration mit einem Luft-zu-Brennstoff-Verhältnis der Verbrennungsmaschine in Wechselwirkung steht, wodurch deren Reaktion beeinflusst wird.
In der Japanischen Patent-Offenlegungsschrift Nr. 2-91443 wird ein Kohlenmonoxid-Sensor mit einem Zirkoniumdioxid Substrat, einem Paar Platin-Elektroden und einem weiteren Paar Gold-Elektroden beschrieben. Der Sensor bestimmt eine Kohlenmonoxid-Konzentration auf der Grundlage der Differenz zwischen einer Potentialdifferenz der Platin-Elektroden und einer Potentialdifferenz der Gold-Elektroden. Der Sensor wird jedoch durch einen Sauerstoff-Partialdruck in einem Gas beeinflusst. Daher kann selbst, wenn eine Kohlenmonoxid- Konzentration konstant ist, der Sensor einen variierenden Wert der Kohlenmonoxid-Konzentration in Abhängigkeit von dem Sauerstoff-Partialdruck ergeben.
Aus der DE 40 30 873 A1 ist ein Verfahren zur Konzentra­ tionsbestimmung von elektrochemisch umsetzbaren Gasen, wie CO2, CO, H2S, Kohlenwasserstoffen, Nox, SO2 und dergleichen bekannt. Die Konzentrationsbestimmung beruht darauf, dass der elektrische Strom ermittelt wird, der für eine Elektrolyse der zu messenden Komponenten benötigt wird. Dabei werden die zu messenden Gase an ein Adsorbens adsorbiert, das als Elektrode dient, und eine Spannung wird an die Elektrode zur Messung des elektrischen Stroms angelegt. Bei der elektrochemischen Elektrolyse nach diesem Prinzip können jedoch nachteilhafte Effekte dadurch auftreten, dass gasförmige Komponenten entstehen. Somit ist das bekannte System angesichts eines drohenden Berstdrucks einer Kompaktbauweise nicht zugänglich.
Die DE 37 44 206 A1 betrifft einen Sauerstoff-Sensor zur Bestimmung eines Luft/Brennstoff-Verhältnisses. Diese Druckschrift hat zum Ziel, den Diffusionswiderstand eines Sauerstoff-Sensors durch die Verwendung eines ZrO2-Festelek­ trolyten zu korrigieren, da der Diffusionswiderstand sich infolge der Sedimentation von Feinteilchen oder dergleichem in einem Abgas ändert. Dementsprechend hat diese Druckschrift eine grundsätzlich andere Zielrichtung und folglich auch einen anderen Konstruktionsaufbau als ein Kohlenmonoxid- Sensor. Die Druckschrift offenbart allenfalls einen Weg zum Konstanthalten des Sauerstoffpartialdrucks in einem Messraum unter Verwendung einer elektrochemischen Sensorzelle und einer elektrochemischen Druckzelle. Die Druckschrift gibt jedoch keine Hinweise dahingehend, wie ein Kohlenmonoxid- Sensor auszugestalten ist, dass der Sauerstoff-Partialdruck in einem Messraum auf definierte Weise eingestellt und geändert werden kann, geschweige denn, welche Konstruktion eine Kohlenmonoxidmessung in Abhängigkeit einer zur statt­ findenden Sauerstoffdiffusion erforderlichen Zeitdauer erlaubt.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Genauigkeit des Kohlenmonoxid-Sensors zu verbessern.
Die Aufgabe wird gelöst durch einen Kohlenmonoxid-Sensor, der folgendes umfasst:
ein Substrat, in dem ein erster Raum, in den ein zu messendes Gas eingeleitet wird, und ein zweiter Raum, in dem ein Adsorptionsmittel zum Adsorbieren von Kohlenmonoxid und eine Elektrode zum Bestimmen eines Sauerstoff-Partialdrucks in dem Adsorptionsmittel angeordnet sind, definiert sind; und
ein im ersten Raum ausgestaltetes Pumpelement, welches ein Elementteil aus einem Festkörperelektrolyten und ein Paar Elektroden umfasst und zum Steuern eines Sauerstoff-Partial­ drucks im ersten Raum dient.
In einem weiteren Gegenstand der Erfindung wird ein Verfahren zum Bestimmen einer Kohlenmonoxid-Konzentration in einem Gas zur Verfügung gestellt, welches die folgenden Schritte umfasst:
im wesentlichen Entfernen von Sauerstoff-Gas in einem Gas in einem ersten Raum durch ein Pumpelement zum Steuern eines Sauerstoff-Partialdrucks in einem ersten Raum, sodass Kohlenmonoxid in dem Gas auf einem Adsorptionsmittel zum Adsorbieren von Kohlenmonoxid adsorbiert wird, wobei das Adsorptionsmittel in einem zweiten Raum angeordnet ist, der mit dem ersten Raum verbunden ist;
Erhöhen des Sauerstoff-Partialdrucks in dem ersten Raum durch das Pumpelement;
Messen der Zeit, in der das Sauerstoff-Gas in dem ersten Raum eine Elektrode zum Bestimmen des Sauerstoff- Partialdrucks in dem Adsorptionsmittel erreicht; und
Bestimmen der Kohlenmonoxid-Konzentration in dem Gas über die gemessene Zeit.
Bei der Bestimmung wird die gemessene Zeit in die Kohlen­ monoxid-Konzentration umgewandelt.
Bei einer alternativen Ausführungsform des Verfahrens zum Bestimmen einer Kohlenmonoxid-Konzentration in einem Gas wird die Zeitdifferenz zwischen der Zeit, in der das Sauerstoffgas in dem ersten Raum eine erste Nachweiselektrode zum Bestimmen des Sauerstoff-Partialdrucks in dem Adsorptionsmittel erreicht, und der Zeit, in der das Sauerstoffgas in dem ersten Raum eine zweite Nachweiselektrode zum Bestimmen des Sauerstoffpartialdrucks in einem mit dem ersten Raum verbun­ denen dritten Raum erreicht, gemessen, wonach die Kohlen­ monoxid-Konzentration in dem Gas über die gemessene Zeit­ differenz bestimmt wird.
Fig. 1 ist eine auseinander gezogene perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines Kohlenmonoxid-Sensors der vorliegenden Erfindung.
Fig. 2(a) ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie A-A' in Fig. 1, und Fig. 2(b) ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie B-B' in Fig. 1.
Die Fig. 3(a), 3(b), 3(c), 3(d) und 3(e) sind Ansichten zur Veranschaulichung des Betriebs des Kohlenmonoxid-Sensors gemäß der vorliegenden Erfindung. Fig. 3(a) zeigt die Sauerstoff-Konzentration (%) in einem ersten Raum, Fig. 3(b) zeigt eine Kohlenmonoxid-Menge, die von einem Kohlenmonoxid- Adsorptionsmittel adsorbiert wurde, Fig. 3(c) zeigt die elektromotorische Kraft einer ersten Nachweiselektrode, Fig. 3(d) zeigt die elektromotorische Kraft einer zweiten Nachweiselektrode 27, und Fig. 3(e) zeigt eine Potential differenz zwischen der ersten Nachweiselektrode 26 und der zweiten Nachweiselektrode 27.
Fig. 4 ist eine graphische Darstellung, die eine Beziehung zwischen der Kohlenmonoxid-Konzentration in einem zu messenden Gas und einer Kohlenmonoxid-Menge, die von dem Kohlenmonoxid-Adsorptionsmittel adsorbiert wird, zeigt.
Fig. 5 ist eine auseinander gezogene perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform des Kohlenmonoxid-Sensors der vorliegenden Erfindung.
Fig. 6 ist eine veranschaulichende Querschnittsansicht des Kohlenmonoxid-Sensors entlang der Linie C-C' in Fig. 5.
Fig. 7 ist eine graphische Darstellung, die eine Beziehung zwischen der Kohlenmonoxid-Konzentration und einer Zeit- Differenz tc in dem Kohlenmonoxid-Sensor von Fig. 5 zeigt.
Fig. 8 ist eine auseinander gezogene perspektivische Ansicht eines Kohlenmonoxid-Sensors 70, der noch eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist.
Fig. 9 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie D-D' in Fig. 8.
In Fig. 5 und Fig. 6 hat ein Kohlenmonoxid-Sensor 40 ein Substrat 41, in dem eine Kammer 43 definiert ist, Elektroden 51 und 52, eine Elektrode 56 (erste Nachweiselektrode) zum Bestimmen des Sauerstoff-Partialdrucks in einem Kohlen­ monoxid-Adsorptionsmittel 61, und eine Referenzelektrode 58.
Das Substrat 41 kann durch die Schritte zur Bildung dreier Lagen 41a, 41b, 41c und die Integration der drei Lagen in eine einheitliche Struktur hergestellt werden. Die drei Lagen können durch Bearbeitung mittels Rakel hergestellt werden, und die drei Rohlagen können zusammen laminiert werden, gepresst und dann gebrannt werden. Alternativ können die drei Lagen durch Glaskleben integriert werden.
Das Substrat 41 ist mit einer Kammer 43 darin gebildet. Die Kammer 43 enthält den ersten Raum 43a und den zweiten Raum 43b. Der erste Raum 43a ist mit einem Raum außerhalb des Substrats durch eine Öffnung 45 verbunden, sodass ein zu messendes Gas in den Raum 43a eingeleitet wird. Die Öffnung 45 bestimmt eine Diffusionsrate eines zu messenden Gases in die Kammer 43.
Der erste Raum 43a ist mit dem zweiten Raum 43b verbunden. Das Kohlenmonoxid-Adsorptionsmittel 61 belegt einen zweiten Raum 43b. Das Kohlenmonoxid-Adsorptionsmittel 61 bedeckt die erste Nachweiselektrode 56, sodass ein zu messendes Gas durch das Kohlenmonoxid-Adsorptionsmittel 61 durchgeht und dann durch die erste Nachweiselektrode 56 bestimmt wird.
Ein Elementteil 42 ist ein Teil des Substrats 41. Ein Pump element umfasst das Elementteil 42 und ein Paar Elektroden 51, 52, und das Pumpelement steuert den Partialdruck von Sauerstoff bei dem ersten Raum 43a. Das Elementteil 42 befindet sich zwischen dem Elektrodenpaar, sodass Sauerstoff- Ionen das Elementteil 42 durchdringen können.
Das Elementteil 42 ist aus einem Festelektrolyt, der Sauerstoff-Ionen leitet, zusammengesetzt. Der Festelektrolyt umfasst beispielsweise teilweise stabilisiertes Zirkonium­ dioxid und vollständig stabilisiertes Zirkoniumdioxid, das im wesentlichen aus Zirkoniumdioxid und einem Stabilisator wie beispielsweise Calciumoxid, Magnesiumoxid, Yttriumoxid, Scandiumoxid, Ytterbiumoxid, Ceroxid usw. besteht. Die Lage 41a kann aus dem Festelektrolyt zusammengesetzt sein.
Die Elektrode 51 ist auf einer Außenfläche 41s des Substrats 41 aufgetragen, sodass sie der Umgebungsluft ausgesetzt ist. Die äußere Elektrode 52 ist auf einer Innenfläche 43s des Substrats aufgetragen. Vorzugsweise hat die Elektrode 52 durch das Elementteil eine Form, die der Elektrode 51 entspricht. Die Elektroden 51, 52 können ein Film sein. Der Film kann aus einem Metall, umfassend beispielsweise Platin, zusammengesetzt sein. Der Film kann ein Cermet-Gewebe sein, das aus einer Pastenmischung aus einem Metall wie beispiels weise Platin und einer Keramik wie beispielsweise Zirkoniumdioxid gedruckt wurde.
In dem Pumpelement wird durch eine elektrische Quelle Gleichstrom an ein Elektrodenpaar 51, 52 angelegt, sodass Sauerstoffgas in der Kammer 43 in einen Raum außerhalb des Substrats durch das Elementteil 42 übertragen wird. Das Sauerstoffgas in der Kammer 43 verändert sich in ein Sauerstoff-Ion bei einer Grenzfläche einer Innenfläche 43s und der Elektrode 52, und das Sauerstoff-Ion bewegt sich durch das Elementteil 42. Das Sauerstoff-Ion verändert sich in Sauerstoff-Gas an der Grenzfläche einer Außenfläche 41s und der Elektrode 51. Andererseits kann die Reaktion umge­ kehrt werden, indem man die Richtung des Gleichstroms verändert. Bei Anlegen von Gleichstrom in der Umkehrrichtung wird Sauerstoffgas in dem Raum außerhalb des Substrats in die Kammer 43 durch das Elementteil 42 übertragen. Das Sauerstoffgas in dem Raum außerhalb des Substrats verändert sich in ein Sauerstoff-Ion bei einer Grenzfläche der Außenfläche 41s und der Elektrode 51, und das Sauerstoff-Ion bewegt sich durch das Elementteil 42. Das Sauerstoff-Ion verändert sich in Sauerstoff-Gas an einer Grenzfläche einer Innenfläche 43s und der Elektrode 52.
Die erste Nachweiselektrode 56 wirkt als eine erste Nachweisvorrichtung zum Bestimmen eines Sauerstoff-Partial drucks in dem zweiten Raum 43b. Das Adsorptionsmittel 61 zum Adsorbieren von Kohlenmonoxid füllt den zweiten Raum 43b. Die erste Elektrode 56 ist auf einer Innenfläche 43b des Substrats 41 aufgetragen. Die erste Elektrode 56 ist von dem Kohlenmonoxid-Adsorptionsmittel 61 bedeckt, sodass der Sauerstoff-Partialdruck in dem Kohlenmonoxid-Adsorptions mittel 61 bestimmt wird. Die erste Nachweiselektrode kann mindestens Platin und/oder Gold enthalten.
Das Kohlenmonoxid-Adsorptionsmittel 61 ist bevorzugt porös. Ein Material für das Adsorptionsmittel 61 ist nicht einge­ schränkt, vorausgesetzt, dass das Material Kohlenmonoxid adsorbiert. Das Adsorptionsmittel enthält beispielsweise poröses ZnO, SnO2, Al2O3 usw. Das Adsorptionsmittel kann aus einer porösen Mischung aus CuO und ZnO hergestellt sein.
In dem Substrat 41 ist ein Hohlraum 47 definiert, der sich innerhalb des Substrats 41 erstreckt, und der Hohlraum 47 wird einem anderem als dem zu messenden Gas ausgesetzt, beispielsweise der Umgebungsluft. Daher ist der Hohlraum 47 vorzugsweise getrennt von der Öffnung 45 gebildet. Eine Referenzelektrode 58 ist auf einer Innenfläche des Hohlraums 47 angeordnet. Ein Voltmeter 59 zum Messen einer Potential differenz zwischen der Referenzelektrode 58 und der ersten Nachweiselektrode 56 ist mit der Referenzelektrode 58 und der ersten Nachweiselektrode 56 verbunden.
Eine Heizeinrichtung zum Steuern der Temperaturen des Elementteils 42 und der ersten Nachweiselektrode 56 ist vorzugsweise in dem Substrat 41 eingegraben. Leitungen erstrecken sich von den Elektroden 51, 52, der ersten Nachweiselektrode 56 und der Referenzelektrode 58, und sie können mit Anschluss-Kontaktflecken, die nicht gezeigt sind, verbunden sein.
Die Verwendung des Kohlenmonoxid-Sensors 40 der vorliegenden Erfindung wird nachstehend beschrieben.
Sauerstoff-Gas wird aus dem Gas in dem ersten Raum 43a durch das Pumpelement im wesentlichen entfernt, während Kohlen­ monoxid in dem Gas auf dem Kohlenmonoxid-Adsorptionsmittel 61 adsorbiert wird. Darauf folgend wird das Sauerstoff-Gas in den ersten Raum 43a durch das Pumpelement eingeleitet, und eine Flusszeit wird gemessen, in der das Sauerstoff-Gas von dem ersten Raum 43a zu der ersten Nachweiselektrode 56 fließt.
Die gemessene Flusszeit bestimmt die Kohlenmonoxid- Konzentration. Das Sauerstoff-Gas reagiert mit dem auf dem Kohlenmonoxid-Adsorptionsmittel 61 adsorbierten Kohlen­ monoxid. Daher erreicht, nachdem ein anfänglicher Fluss des Sauerstoff-Gases von der Reaktion verbraucht worden ist, ein darauf folgender Fluss des Sauerstoff-Gases die erste Nachweiselektrode 56. Mit anderen Worten, je mehr Kohlen monoxid adsorbiert ist, um so länger braucht der Sauerstoff, um die erste Nachweiselektrode 56 zu erreichen. Diese Fluss Zeit ist mit der Kohlenmonoxid-Konzentration korreliert, und daher ergibt die Messung der Flusszeit die Messung der Kohlenmonoxid-Konzentration.
In Fig. 3 wird zuerst ein zu messendes Gas in die Kammer 43 durch die Öffnung 45 eingeleitet. Dann wird zu einer Zeit t0 ein Gleichstrom von einer Stromquelle 53 an die Elektroden 51, 52 angelegt, sodass die Beseitigung des Sauerstoff-Gases in dem Gas in dem ersten Raum 43a der Kammer 43 beginnt. Das Sauerstoff-Gas wird aus dem ersten Raum 34a im wesentli­ chen entfernt, sodass verhindert wird, dass Kohlenmonoxid mit Sauerstoff auf einer Oberfläche des Kohlenmonoxid- Adsorptionsmittels 61 reagiert. Folglich kann der Sauerstoff- Partialdruck in dem ersten Raum 43a der Kammer beispielsweise nicht mehr als 10-10, vorzugsweise nicht mehr als 10-20 im Ver­ gleich zu dem Gesamtdruck im ersten Raum 43a werden. Der Sauerstoff-Partialdruck kann in bestimmten Fällen ungefähr 10-30 werden.
Das Sauerstoff-Gas reagiert mit Kohlenmonoxid auf dem Adsorptionsmittel 61, sodass sich Kohlendioxid ergibt. Daher erhöht, wie in Fig. 3(b) gezeigt, die Abnahme an Sauerstoff- Gas die Menge des auf dem Adsorptionsmittel 61 adsorbierten Kohlenmonoxids. Die Zunahme an Kohlenmonoxid ist mit der Konzentration an Kohlenmonoxid in dem Gas korreliert.
Ein Teil des Gases, von dem das Sauerstoff-Gas im wesent­ lichen entfernt worden ist, diffundiert von dem ersten Raum 43a in das Kohlenmonoxid-Adsorptionsmittel 61 und erreicht dann die erste Nachweiselektrode 56. Bei der ersten Nachweiselektrode 56 wird eine elektromotorische Kraft, die durch die Nernst'sche Gleichung ausgedrückt werden kann, auf der Grundlage der Differenz zwischen dem Sauerstoff- Partialdruck bei der Referenzelektrode 58 und dem Sauerstoff Partialdruck bei der Nachweiselektrode 56 erzeugt.
Nachdem das Gas ausreichend in den zweiten Raum 43b diffundiert ist, sodass das Gleichgewicht erreicht ist, hat das Kohlenmonoxid-Adsorptionsmittel 61 eine Gleichgewichts­ menge Kohlenmonoxid adsorbiert.
Zur Zeit t1 unter Gleichgewicht wird das Pumpelement so betrieben, dass Sauerstoff-Gas eingeleitet wird, sodass der erste Raum 43a in vorbestimmte magere Bedingungen gebracht wird. Zum Beispiel verändert sich in Fig. 3(a) die Sauer­ stoff-Gaskonzentration in dem ersten Raum 43a von 0% zu 1% zur Zeit t1.
Das Sauerstoff-Gas in dem ersten Raum 43a diffundiert in das Kohlenmonoxid-Adsorptionsmittel 61, sodass es die erste Nachweiselektrode 56 erreicht. Bei dem Diffusionsschritt reagiert das Sauerstoff-Gas unter Bildung von Kohlendioxid mit Kohlenmonoxid, das auf dem Kohlenmonoxid-Adsorptions mittel 61 adsorbiert ist, wobei das Sauerstoff-Gas verbraucht wird. Daher verzögert der Verbrauch des Sauerstoff-Gases mit der Adsorption des Kohlenmonoxids die Flusszeit, in der das Sauerstoffgas die erste Nachweis elektrode 56 erreicht. Die Zeitverzögerung hängt von einer Kohlenmonoxidmenge ab, die auf dem Kohlenmonoxid-Adsorp tionsmittel 61 adsorbiert ist, und die Menge an adsorbiertem Kohlenmonoxid hängt von der Konzentration des Kohlenmonoxids in dem zu messenden Gas ab.
Zum Beispiel nimmt in Fig. 3(c) die elektromotorische Kraft der ersten Nachweiselektrode 56 auf 400 mV zur Zeit t3 ab. Dann wird eine Differenz tc zwischen der Zeit t3 und der Zeit t1 berechnet.
Fig. 7 zeigt die Korrelation der Zeitdifferenz tc mit der Konzentration des Kohlenmonoxids in dem Gas. Wenn die Kohlenmonoxid-Konzentration ansteigt, steigt die Zeit­ differenz tc an. Unter Verwendung der Korrelation als eine Kalibrierungskurve bestimmt die Zeitdifferenz tc die Kohlenmonoxid-Konzentration in dem Gas.
In Fig. 3(b) beginnt die Menge an auf dem Kohlenmonoxid Adsorptionsmittel 61 adsorbiertem Kohlenmonoxid zur Zeit t1 abzunehmen. Die unmittelbare Reaktion kann jedoch nur theoretisch stattfinden. In dem tatsächlichen Kohlenmonoxid Sensor vergeht Zeit von der Zeit t1, bei der die Sauerstoff Konzentration anzusteigen beginnt, zu einer Zeit, bei der eine Menge an adsorbiertem Kohlenmonoxid abzunehmen beginnt, und die Zeitverzögerung entspricht der Diffusion des Sauer stoffgases von dem ersten Raum 13a in das Kohlenmonoxid Adsorptionsmittel 61.
In Fig. 1 wird eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Fig. 1 ist eine auseinander gezogene perspektivische Ansicht eines Kohlenmonoxid-Sensors 10 der vorliegenden Erfindung. Fig. 2(a) ist eine Querschnitts­ ansicht entlang der Linie A-A' in Fig. 1, und Fig. 2(b) ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie B-B' in Fig. 1.
Der Kohlenmonoxid-Sensor 10 hat ein Substrat 11, in dem eine Kammer 13 gebildet ist, Elektroden 21, 22, eine erste Nachweiselektrode 26, eine zweite Nachweiselektrode 27 und eine Referenzelektrode 28. In dem Kohlenmonoxid-Sensor 10 werden hauptsächlich die Elemente beschrieben, die von denen des Kohlenmonoxid-Sensors 40 unterschiedlich sind.
Das Substrat 11 hat wie das Substrat 41 eine einstückig ausgebildete Struktur. In dem Substrat 11 ist die Kammer 13 definiert. Die Kammer 13 enthält einen ersten Raum 13a, einen zweiten Raum 13b und einen dritten Raum 13c. Der erste Raum 13a steht mit der Umgebung durch eine Öffnung 15 in Verbindung, die auf dem Substrat 11 gebildet ist, sodass Probengas zu dem ersten Raum 13a der Kammer 13 eingeleitet wird. Die Öffnung 15 bestimmt eine Diffusionsrate des Gases in die Kammer 13.
Der zweite Raum 13b und der dritte Raum 13c sind von einander getrennt, und sie stehen mit dem ersten Raum 13a in Verbin­ dung. Ein Kohlenmonoxid-Adsorptionsmittel 31 füllt mindestens einen Teil des zweiten Raums 13b, und eine erste Nachweis­ elektrode 26 ist von dem Kohlenmonoxid-Adsorptionsmittel 31 bedeckt. Der Sauerstoff-Partialdruck in dem Gas, das durch das Kohlenmonoxid-Adsorptionsmittel 31 hindurch gegangen ist, kann durch die erste Nachweiselektrode bestimmt werden. Vorzugsweise füllt das Kohlenmonoxid-Adsorptionsmittel 31 den gesamten zweiten Raum 13b. In ähnlicher Weise füllt ein Gas-Gleichgewichtselement 32 mindestens einen Teil des dritten Raums 13c, und die zweite Nachweiselektrode 27 ist mit dem Gas-Gleichgewichtselement 32 bedeckt. Der Sauerstoff-Partialdruck in dem Gas, das durch das Gas- Gleichgewichtselement 32 durchgegangen ist, kann durch die zweite Nachweiselektrode 27 bestimmt werden.
Vorzugsweise füllt das Gas-Gleichgewichtselement 32 den gesamten dritten Raum 13c. Der Kohlenmonoxid-Sensor 10 der vorliegenden Erfindung bestimmt die Kohlenmonoxid-Konzen­ tration durch die Tatsache, dass eine Menge an auf dem Kohlenmonoxid-Adsorptionsmittel 31 adsorbiertem Kohlenmonoxid von der Kohlenmonoxid-Konzentration in dem Gas abhängt.
Wie in dem Fall des Pumpelements des Kohlenmonoxid-Sensors 40 hat das Pumpelement des Kohlenmonoxid-Sensors 10 ein Paar Elektroden 21, 22 und ein Elementteil 12 mit einem Fest­ körperelektrolyten, das ein Teil des Substrats 11 ist. Das Pumpelement kann die Sauerstoff-Konzentration in dem ersten Raum 13a steuern. Das Elementteil 12 befindet sich zwischen dem Paar Elektroden 21, 22, sodass Sauerstoff-Ionen den Elementteil 12 durchdringen können. In Fig. 1 ist der Elementteil 12 rund um die Öffnung 15 gebildet. Die Elektro­ den 21, 22 und eine Stromquelle 23 sind jeweils ähnlich den Elektroden 51, 52 und der Stromquelle 53.
Die erste Nachweiselektrode 26 zum Bestimmen des Sauerstoff Partialdrucks in dem zweiten Raum 13b ist auf einer Innen­ fläche eines Festelektrolyts angeordnet, sodass die erste Nachweiselektrode 26 den Sauerstoff-Partialdruck in dem Gas bestimmen kann, das durch das Kohlenmonoxid-Adsorptions­ mittel 31 durchgegangen ist. In ähnlicher Weise ist die zweite Nachweiselektrode 27 zum Bestimmen des Sauerstoff- Partialdrucks in dem dritten Raum 13c auf einer Innenfläche des Festelektrolyts angeordnet, sodass die zweite Nachweis­ elektrode 27 den Sauerstoff-Partialdruck in dem Gas bestimmen kann, das durch das Gas-Gleichgewichtselement 32 durchgegangen ist. Darüber hinaus ist vorzugsweise ein Voltmeter 25 zum Messen einer Potentialdifferenz zwischen der ersten Nachweiselektrode 26 und der zweiten Nachweiselektrode 27 angeordnet.
In dem Kohlenmonoxid-Sensor 10 der vorliegenden Erfindung ist die Differenz zwischen der Zeit, zu der das Gas die erste Nachweiselektrode 26 durch das Kohlenmonoxid-Adsorptions­ mittel 31 erreicht, und einer Zeit, zu der das Gas die zweite Nachweiselektrode 27 durch das Gas-Gleichgewichtselement 32 erreicht, wichtig. Daher ist die Form des zweiten Raums 13b vorzugsweise dieselbe wie die des dritten Raums 13c, und es ist auch bevorzugt, dass der zweite Raum 13b und der dritte Raum 13c im wesentlichen symmetrisch in Bezug auf den ersten Raum 13a sind. Darüber hinaus ist die Position der ersten Nachweiselektrode 26 vorzugsweise im wesentlichen symmetrisch in Bezug auf die der zweiten Nachweiselektrode 27, und die Diffusionsbeständigkeit des Kohlenmonoxid-Adsorptionsmittels 31 gegenüber Sauerstoff ist vorzugsweise im wesentlichen gleich der des Gas-Gleichgewichtselements 32 gegenüber Sauerstoff. Vorzugsweise ist die Nachweiselektrode aus einem Material hergestellt, das ein Metall enthält, das als Oxidationskatalysator dient, beispielsweise Platin. Alternativ kann ein Gold enthaltendes Material verwendet werden. Das Kohlenmonoxid-Adsorptionsmittel 31 entspricht dem Kohlenmonoxid-Adsorptionsmittel 61.
Das Gas-Gleichgewichtselement 32 ist passender Weise aus einem Keramikmaterial hergestellt, das kaum Kohlenmonoxid adsorbiert. Das Element 32 ist vorzugsweise porös. Im allgemeinen wird Kohlenmonoxid mehr oder weniger auf einer Oberfläche von jedem Keramikmaterial adsorbiert. Ein Keramikmaterial, das eine ausreichend kleine Menge an Kohlenmonoxid adsorbiert, wird für das Keramikmaterial für das Gas-Gleichgewichtselement verwendet. Das Keramikmaterial für das Gas-Gleichgewichtselement ist für das Kohlenmonoxid- Adsorptionsmittel ungeeignet. Das Gas-Gleichgewichtselement kann beispielsweise aus porösem ZrO2 hergestellt sein.
Die Diffusionsbeständigkeit des Gas-Gleichgewichtselements 32 gegenüber Sauerstoff ist vorzugsweise im wesentlichen gleich der des Kohlenmonoxid-Adsorptionsmittels gegenüber Sauerstoff, sodass die Differenz zwischen der Zeit, in der das Gas die erste Nachweiselektrode 26 erreicht, und der Zeit, in der das Gas die zweite Nachweiselektrode 27 erreicht hat, abnimmt.
Ein Hohlraum 17 und eine Referenzelektrode 28 entsprechen jeweils dem Hohlraum 47 und der Referenzelektrode 58. Ein Voltmeter 29 zum Messen einer Potentialdifferenz zwischen der Referenzelektrode 28 und der ersten Nachweiselektrode 26 ist angeordnet, und ein weiteres Voltmeter 30 zum Messen einer Potentialdifferenz zwischen der Referenzelektrode 28 und der zweiten Nachweiselektrode 27 ist angeordnet.
Eine Heizeinrichtung zum Steuern der Temperaturen des Elementteils 12, der ersten Nachweiselektrode 26 und der zweiten Nachweiselektrode 27 ist vorzugsweise innerhalb des Substrats 11 vergraben.
Die Verwendung des Kohlenmonoxid-Sensors 10 der vorliegenden Erfindung wird nachstehend beschrieben. Die Kohlenmonoxid Konzentration kann wie folgt gemessen werden. Zu Anfang hat die Kammer 13 eine fette Umgebungsluft, in der die Sauer­ stoff-Konzentration niedrig ist, und die Potentialdifferenz zwischen der ersten Nachweiselektrode 26 und der zweiten Nachweiselektrode 27 wird überwacht. Danach wird die fette Umgebungsluft in eine magere Umgebungsluft verändert, in der die Sauerstoff-Konzentration in der Kammer 13 hoch ist, und eine Zeitdifferenz zwischen der Zeit, zu der Sauerstoff-Gas die erste Nachweiselektrode 26 erreicht, und der Zeit, zu der Sauerstoff-Gas die zweite Nachweis elektrode 27 erreicht, wird bestimmt. Es gibt zwei Verfahren zur Bestimmung der Zeitdifferenz. Ein Verfahren ist, die Potentialdifferenz zwischen der ersten Nachweiselektrode 26 und der zweiten Nachweiselektrode 27 zu ermitteln. Das andere Verfahren ist, die elektromotorische Kraft der ersten Nach weiselektrode 26 zu der Referenzelektrode 28 und die elektro­ motorische Kraft der zweiten Nachweiselektrode 27 zu der Referenzelektrode 28 zu ermitteln.
In Fig. 3 wird das zu messende Gas in die Kammer 13 durch die Öffnung 15 eingeleitet. Nachdem ein Gleichgewicht erreicht ist, ist im Idealfall der Sauerstoff-Partialdruck bei der ersten Nachweiselektrode 26 im wesentlichen gleich dem Sauerstoff-Partialdruck bei der zweiten Nachweiselektrode 27, wodurch die elektromotorischen Kräfte von beiden Elektroden im wesentlichen einander gleich sind und die Potential­ differenz zwischen beiden Elektroden sehr klein ist.
Zur Zeit t0 wird ein Gleichstrom von der Stromquelle 23 an die Elektroden 21, 22 angelegt, sodass die Entfernung von Sauerstoff-Gas von dem Gas in dem ersten Raum 13a der Kammer 13 beginnt. Das Sauerstoff-Gas wird zu solch einem Grad entfernt, dass Kohlenmonoxid nicht mit Sauerstoff auf einer Oberfläche des Kohlenmonoxid-Adsorptionsmittels 31 reagieren kann. Folglich wird der Sauerstoff-Partialdruck in dem ersten Raum 13a der Kammer 13 nicht mehr als beispielsweise 10-15, vorzugsweise nicht mehr als 10-20 im Vergleich zum Gesamtdruck im ersten Raum 13a. Dieser Sauerstoff-Partialdruck wird in bestimmten Fällen ungefähr 10-30.
Das Sauerstoff-Gas reagiert unter Bildung von Kohlendioxid mit auf dem Kohlenmonoxid-Adsorptionsmittel 31 adsorbiertem Kohlenmonoxid. Die Konzentration des Sauerstoff-Gases nimmt ab, sodass die Menge an auf dem KohlenmonoxidAdsorptions­ mittel adsorbiertem Kohlenmonoxid zunimmt, wie in Fig. 3(b) gezeigt. Die Zunahme an Kohlenmonoxid ist mit der Kohlen­ monoxid-Konzentration in dem Gas korreliert.
Ein Teil des Gases, von dem das Sauerstoff-Gas im wesentli­ chen entfernt worden ist, diffundiert von dem ersten Raum 13a in das Kohlenmonoxid-Adsorptionsmittel 31, wobei es die erste Nachweiselektrode 26 erreicht. Andererseits diffundiert der andere Teil des Gases in das Gas-Gleichgewichtselement 32, wobei es die zweite Nachweiselektrode 27 erreicht. Entspre­ chend wird in der ersten Nachweiselektrode 26 eine elektro­ motorische Kraft, die durch die Nernst'sche Gleichung ausge­ drückt werden kann, auf der Grundlage der Differenz zwischen dem Sauerstoff-Partialdruck an der Referenzelektrode 28 und dem Sauerstoff-Partialdruck in der ersten Nachweiselektrode 26 erzeugt. In ähnlicher Weise wird in der zweiten Nachweis­ elektrode 27 eine elektromotorische Kraft zu der Referenz­ elektrode 28 erzeugt.
Nachdem das Gas ausreichend in den zweiten Raum 13b und den dritten Raum 13c diffundiert ist, wobei es ein Gleichgewicht erreicht, ist der Sauerstoff-Partialdruck an der ersten Nachweiselektrode 26 im wesentlichen gleich dem Sauerstoff Partialdruck an der zweiten Nachweiselektrode 27, sodass die elektromotorische Kraft der ersten Nachweiselektrode 26 im wesentlichen gleich der elektromotorischen Kraft der zweiten Nachweiselektrode 27 ist. Unter dem Gleichgewicht adsorbiert das Kohlenmonoxid-Adsorptionsmittel 31 Kohlenmonoxid, während das Gas-Gleichgewichtselement 32 kaum Kohlenmonoxid adsorbiert.
Zur Zeit t1 unter dem Gleichgewicht wird das Pumpelement so betrieben, dass das Sauerstoff-Gas eingeleitet wird, wodurch der erste Raum 13a in eine vorbestimmte magere Bedingung gebracht wird. Zum Beispiel verändert sich in Fig. 3(a) die Konzentration des Sauerstoff-Gases in dem ersten Raum 13a von 0% zu 1% zur Zeit t1.
Ein Teil des Sauerstoff-Gases in dem ersten Raum 13a diffun­ diert in das Kohlenmonoxid-Adsorptionsittel 31, wobei es die erste Nachweiselektrode 26 erreicht. In dem Diffusionsschritt reagiert das Sauerstoff-Gas unter Bildung von Kohlendioxid mit auf dem Kohlenmonoxid-Adsorptionsmittel 31 adsorbiertem Kohlenmonoxid. Somit wird ein anfänglicher Fluss des Sauerstoff-Gases durch die Reaktion verbraucht. Daher braucht, je mehr Kohlenmonoxid auf dem Adsorptionsmittel 31 adsorbiert ist, der Sauerstoff umso länger, um die Nachweis­ elektrode 26 zu erreichen.
Andererseits diffundiert der andere Teil des Sauerstoff-Gases in den ersten Raum 13a in das Gas-Gleichgewichtselement 32 und erreicht dann die zweite Nachweiselektrode 27. Das Gas Gleichgewichtselement 32 adsorbiert kaum Kohlenmonoxid, und daher erreicht das Sauerstoff-Gas die zweite Nachweiselek­ trode 27, ohne von der Reaktion verbraucht zu werden.
Daher hängt die Differenz zwischen einer Zeit, zu der das Sauerstoff-Gas die erste Nachweiselektrode 26 erreicht, und einer Zeit, zu der das Sauerstoff-Gas die zweite Nachweis­ elektrode 27 erreicht, von der Menge an auf dem Kohlen­ monoxid-Adsorptionsmittel adsorbiertem Kohlenmonoxid ab, und diese Menge an adsorbiertem Kohlenmonoxid hängt von der Kohlenmonoxid-Konzentration in dem zu messenden Gas ab.
Die Differenz zwischen den Zeiten, zu der das Sauerstoff-Gas die erste Nachweiselektrode 26 und die zweite Nachweiselek­ trode 27 erreicht hat, kann erhalten werden, indem man die elektromotorische Kraft der ersten Nachweiselektrode 26 und die elektromotorische Kraft der zweiten Nachweiselektrode 27 ermittelt. Zum Beispiel kann, wie in den Fig. 3(c) und 3(d) gezeigt, eine Zeitdifferenz ta von einer Zeit t2, zu der die elektromotorische Kraft der zweiten Nachweiselektrode 27 auf 400 mV abnimmt, und einer Zeit t3, zu der die elektromotori­ sche Kraft der ersten Nachweiselektrode 26 auf 400 mV ab­ nimmt, erhalten werden.
Alternativ kann die Differenz zwischen den Zeiten, zu denen das Sauerstoff-Gas die erste Nachweiselektrode 26 und die zweite Nachweiselektrode 27 erreicht hat, erhalten werden, indem man die Potentialdifferenz zwischen der ersten Nachweiselektrode 26 und der zweiten Nachweiselektrode 27 ermittelt. Zum Beispiel kann in Fig. 3(e) eine Zeitdifferenz tb von einer Zeit t4, zu der eine Potentialdifferenz zwischen der ersten Nachweiselektrode 26 und der zweiten Nachweiselek­ trode 27 auf 50 mV ansteigt, und einer Zeit t5, zu der diese Potentialdifferenz auf 50 mV abnimmt, erhalten werden.
Fig. 4 zeigt eine Beziehung zwischen der Kohlenmonoxid- Konzentration in dem zu messenden Gas und der Menge an auf dem Kohlenmonoxid-Adsorptionsmittel adsorbiertem Kohlen­ monoxid. Hohe Temperaturen des Kohlenmonoxid-Adsorptions­ mittels beschränken die Menge an adsorbiertem Kohlenmonoxid. Bei hohen Temperaturen ist jedoch die Menge an adsorbiertem Kohlenmonoxid proportional zu einer Kohlenmonoxid-Konzentra­ tion, bis die Konzentration ein bestimmtes hohes Niveau erreicht. Andererseits wird durch eine niedrige Temperatur des Kohlenmonoxid-Adsorptionsmittels leicht das Kohlen­ monoxid-Adsorptionsmittel mit Kohlenmonoxid gesättigt. Daher kann bei niedrigen Temperaturen nur eine niedrige Kohlen­ monoxid-Konzentration gemessen werden. In dem Bereich niedriger Konzentration bei niedriger Temperatur ist jedoch die Empfindlichkeit bei der Bestimmung einer kleinen Kohlen­ monoxid-Menge hoch. Daher können die Temperaturen des Kohlenmonoxid-Adsorptionsmittels als ein Messbereich verän­ dert werden, in Abhängigkeit von den Kohlenmonoxid-Konzentra­ tionen. Der Messbereich kann auch von einer Menge und einem Typ des Kohlenmonoxid-Adsorptionsmittels abhängen.
Eine dritte Nachweiselektrode kann vorzugsweise auf einer Oberfläche des ersten Raums 13a angeordnet sein. Ein Rück kopplungskreis, umfassend das dritte Nachweiselement, zum Steuern des Stroms oder der Spannung des Pumpelements kann vorzugsweise verwendet werden, um die elektromotorische Kraft der dritten Nachweiselektrode zu der Referenzelektrode 28 konstant zu halten. Somit wird durch eine konstante elektromotorische Kraft der dritten Nachweiselektrode die Sauerstoff-Konzentration in dem ersten Raum 13a konstant gehalten.
Sowohl in dem Verfahren zur Messung der Kohlenmonoxid- Konzentration unter Verwendung des dritten Raums als auch in dem Verfahren unter Verwendung des zweiten Raums und des dritten Raums gibt es, wie in Fig. 3(a) gezeigt, während einem Messzyklus eine Periode mit einer fetten Umgebungsluft ohne Sauerstoffgas und eine weitere Periode mit einer mageren Umgebungsluft, die das Sauerstoffgas enthält. Somit ist es bevorzugt, die Zyklen mit der fetten Umgebungsluft und der mageren Umgebungsluft zu wiederholen, sodass die Zeiten gemittelt werden, wodurch die Genauigkeit bei der Messung der Zeit verbessert wird.
Fig. 8 ist eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht eines Kohlenmonoxid-Sensors 70, der noch eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist.
Fig. 9 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie D-D' in Fig. 8.
Der Kohlenmonoxid-Sensor 70 hat ein Substrat 71, in dem eine Kammer 73 definiert ist, Elektroden 81, 82, eine erste Nachweiselektrode 86 und eine Bezugselektrode 88.
Das Substrat 71 hat eine einstückig ausgebildete Struktur mit drei Lagen 71a, 71b, 71c, wie bei dem Substrat 41. In dem Substrat 71 ist die Kammer 73 definiert. Die Kammer 73 ist teilweise mit einem Kohlenmonoxid-Adsorptionsmittel 91 gefüllt. Im Gegensatz zu dem Kohlenmonoxid-Sensor 40 ist das Kohlenmonoxid-Adsorptionsmittel 91 auf der Seite einer Öffnung 75 der Kammer 73 angeordnet, wobei ein eingeschlosse ner Raum 87 in der Kammer 73 bleibt. Eine erste Nachweiselek trode 86 ist auf einer Innenfläche des Substrats 71, die den eingeschlossenen Raum 87 definiert, angeordnet.
Das Kohlenmonoxid-Adsorptionsmittel 91 steht durch die Öffnung 75 des Substrats 71 mit der Umgebung in Verbindung, sodass ein zu messendes Gas in die Kammer 73 eingeleitet wird. Durch die Öffnung 75 kann eine Diffusionsrate des Gases in die Kammer 73 bestimmt werden.
Das zu messende Gas geht durch die Öffnung 75 und das Kohlenmonoxid-Adsorptionsmittel 91 durch und erreicht dann die erste Nachweiselektrode 86 in dem eingeschlossenen Raum 87 in der Kammer 73, wodurch die erste Nachweiselektrode 86 den Sauerstoff-Partialdruck in dem Gas bestimmt.
Wie in dem Fall des Pumpelements des Kohlenmonoxid-Sensors 40 umfasst ein Pumpelement des Kohlenmonoxid-Sensors 70 ein Paar Elektroden 81, 82 und ein Elementteil 72, der Teil des Substrats 71 ist. Das Pumpelement kann die Sauerstoff- Konzentration in dem eingeschlossenen Raum 87 in der Kammer 73 steuern. Das Elementteil 72 befindet sich zwischen dem Paar Elektroden 21, 22, sodass Sauerstoff-Ionen das Element­ teil 72 durchdringen können. Die Elektroden 81, 82 und eine Stromquelle 83 sind jeweils den Elektroden 51, 52 und der Stromquelle 53 ähnlich.
Die erste Nachweiselektrode 86 zum Bestimmen eines Sauer­ stoff-Partialdrucks in dem Raum 87 ist auf einer Innenfläche des Festelektrolyts, die den Raum 87 definiert, angeordnet, wodurch die erste Nachweiselektrode 86 den Sauerstoff- Partialdruck in dem Gas, das durch das Kohlenmonoxid- Adsorptionsmittel 91 durchgegangen ist, bestimmen kann.
Die anderen Elemente des Kohlenmonoxid-Sensors 70 sind denen des Kohlenmonoxid-Sensors 40 ähnlich. Beispielsweise bezieht sich Bezugszeichen 89 auf einen Voltmeter zum Messen der Potentialdifferenz zwischen der Referenzelektrode 88 und der ersten Nachweiselektrode 86. Ein Hohlraum 90 ist in dem Substrat 71 gebildet, und der Hohlraum 90 ist einem anderen Gas als dem zu messenden Gas ausgesetzt, beispielsweise der Umgebungsluft.
Die Verwendung des Kohlenmonoxid-Sensors 70 der vorliegenden Ausführungsform wird nachstehend beschrieben.
Sauerstoff-Gas des Gases in dem eingeschlossenen Raum 87 wird im wesentlichen durch das Pumpelement entfernt, während das Kohlenmonoxid in dem Gas auf dem Kohlenmonoxid-Adsorptions­ mittel 91 adsorbiert wird. Dann wird das Sauerstoff-Gas in den Raum 87 durch das Pumpelement eingeleitet, sodass das Sauerstoff-Gas mit dem auf dem Adsorptionsmittel 91 adsor­ bierten Kohlenmonoxid reagiert, wobei das Sauerstoff-Gas verbraucht wird. Die Konzentration des Sauerstoff-Gases in dem Raum 87 bleibt stabil, während die erste Nachweiselek­ trode 86 weiterhin Sauerstoff-Partialdrücke bestimmt. Nachdem das ganze auf dem Adsorptionsmittel 91 adsorbierte Kohlen monoxid mit dem eingeleiteten Sauerstoff-Gas reagiert hat, beginnt das Ansteigen des Sauerstoff-Partialdrucks im Raum 87. Dann wird die Zeitdauer gemessen, die von der Einleitung des Sauerstoff-Gases durch das Pumpelement zu dem Beginn des Anstiegs des Sauerstoff-Partialdrucks dauert, wodurch die Dauer in die Kohlenmonoxid-Konzentration in dem Gas umge­ wandelt wird.
In dem Kohlenmonoxid-Sensor 70 der vorliegenden Erfindung ist das Kohlenmonoxid-Adsorptionsmittel 91 auf der Seite der Öffnung in der Kammer 73 angeordnet. Daher ist ein Durch messer der Öffnung 75 vorzugsweise klein, sodass die Störung des Adsorptionsmittels 91 durch die Umgebungsluft verringert wird.
Der Kohlenmonoxid-Sensor der vorliegenden Erfindung umfasst ein Pumpelement zum Entfernen von Sauerstoff-Gas in einer Probe, wodurch der Sauerstoff in der Probe nicht die Mess­ genauigkeit einer Kohlenmonoxid-Konzentration beeinflusst. Darüber hinaus misst der Sensor eine Zeit, wodurch er weniger anfällig für elektrisches Rauschen ist, was die Genauigkeit der Messung der Kohlenmonoxid-Konzentration verbessert.
Der Kohlenmonoxid-Sensor hat ein Substrat, in dem ein erster Raum, in den ein Gas eingeleitet wird, und ein zweiter Raum, der mit dem ersten Raum in Verbindung steht, definiert sind. Das Kohlenmonoxid-Adsorptionsmittel ist in dem zweiten Raum angeordnet, und eine Elektrode bestimmt den Sauerstoff-Partialdruck in dem Kohlenmonoxid-Adsorptions­ mittel. Das Pumpelement umfasst das Elementteil aus einem Festkörper-Elektrolyten, der Sauerstoff-Ionen leitet, und ein Elektrodenpaar. Das Pumpelement entfernt im wesentlichen Sauerstoff von einem Gas in dem ersten Raum, während Kohlenmonoxid in dem Gas auf dem Kohlenmonoxid-Adsorptions­ mittel adsorbiert wird. Dann leitet das Pumpelement Sauer­ stoff in den ersten Raum ein, und die Zeit wird gemessen, in der der Sauerstoff von dem ersten Raum zu der ersten Nach­ weiselektrode durch das Adsorptionsmittel diffundiert. Nachdem nur ein anfänglicher Fluss des Sauerstoffs mit dem Kohlenmonoxid auf dem Adsorptionsmittel reagiert, erreicht der Sauerstoff die erste Nachweiselektrode. Daher steht die Zeit mit der Kohlenmonoxid-Menge des Gases in Beziehung. Der Kohlenmonoxid-Sensor wird nicht durch die Sauerstoff Konzentration in dem Gas beeinflusst, wodurch die Mess­ genauigkeit der Kohlenmonoxid-Konzentration verbessert wird.

Claims (11)

1. Kohlenmonoxid-Sensor, umfassend:
ein Substrat, in dem ein erster Raum, in den ein zu messendes Gas eingeleitet wird, und ein zweiter Raum, in dem ein Adsorptionsmittel zum Adsorbieren von Kohlenmonoxid und eine Elektrode zum Bestimmen eines Sauerstoff-Partialdrucks in dem Adsorptionsmittel angeordnet sind, definiert sind; und
ein im ersten Raum ausgestaltetes Pumpelement, welches ein Elementteil aus einem Festkörperelektrolyten und ein Paar Elektroden umfasst und zum Steuern eines Sauerstoff- Partialdrucks im ersten Raum dient.
2. Kohlenmonoxid-Sensor nach Anspruch 1, wobei der Kohlenmonoxid-Sensor ferner ein Nachweisgerät zum Bestimmen eines Sauerstoff-Partialdrucks in dem ersten Raum umfasst.
3. Kohlenmonoxid-Sensor nach Anspruch 1, wobei der Raum ferner einen dritten Raum umfasst, und der Kohlenmonoxid-Sensor ferner eine zweite Nachweiselektrode zum Bestimmen eines Sauerstoff-Partialdrucks in dem dritten Raum umfasst.
4. Kohlenmonoxid-Sensor nach Anspruch 1, wobei der Festelektrolyt im Pumpelement zum Leiten von Sauerstoff- Ionen dient, mindestens ein Teil des Substrats bildet und sich zwischen den Elektroden befindet.
5. Kohlenmonoxid-Sensor nach Anspruch 4, wobei die Elektro­ den einen Film, der ein Metall enthält, umfassen.
6. Kohlenmonoxid-Sensor nach Anspruch 1, wobei das Substrat mit einer Aussparung gebildet ist, die mit einer Umgebung verbunden ist, der Kohlenmonoxid-Sensor ferner eine Referenzelektrode, die in der Aussparung angeordnet ist, und eine Überwachungseinrichtung zum Überwachen des Potentials der Elektrode zum Bestimmen des Sauerstoff-Partialdrucks und/oder ggf. einer zweiten Nachweiselektrode zum Bestimmen des Sauerstoff-Partialdrucks auf der Grundlage der Referenz­ elektrode umfasst.
7. Kohlenmonoxid-Sensor nach Anspruch 1, wobei das Substrat mit einer Öffnung zum Einleiten des zu messenden Gases in den ersten Raum gebildet ist.
8. Kohlenmonoxid-Sensor nach Anspruch 1, wobei das Adsorptionsmittel mindestens einen der Stoffe ZnO, SnO2 und Al2O3 enthält und das Adsorptionsmittel porös ist.
9. Kohlenmonoxid-Sensor nach Anspruch 1, wobei das Substrat im wesentlichen aus einem teilweise stabilisierten Zirkoniumdioxid besteht, das ZrO2 und einen Stabilisator enthält.
10. Verfahren zum Bestimmen einer Kohlenmonoxid- Konzentration in einem Gas, umfassend die folgenden Schritte:
im wesentlichen Entfernen von Sauerstoff-Gas in einem Gas in einem ersten Raum durch ein Pumpelement zum Steuern eines Sauerstoff-Partialdrucks in einem ersten Raum, sodass Kohlenmonoxid in dem Gas auf einem Adsorptionsmittel zum Adsorbieren von Kohlenmonoxid adsorbiert wird, wobei das Adsorptionsmittel in einem zweiten Raum angeordnet ist, der mit dem ersten Raum verbunden ist;
Erhöhen des Sauerstoff-Partialdrucks in dem ersten Raum durch das Pumpelement;
Messen der Zeit, in der das Sauerstoff-Gas in dem ersten Raum eine Elektrode zum Bestimmen des Sauerstoff- Partialdrucks in dem Adsorptionsmittel erreicht; und
Bestimmen der Kohlenmonoxid-Konzentration in dem Gas über die gemessene Zeit.
11. Verfahren zum Bestimmen einer Kohlenmonoxid- Konzentration in einem Gas, umfassend die folgenden Schritte:
im wesentlichen Entfernen von Sauerstoff-Gas in einem Gas in einem ersten Raum durch ein Pumpelement zum Steuern eines Sauerstoff-Partialdrucks in dem ersten Raum, sodass Kohlenmonoxid in dem Gas auf einem Adsorptionsmittel zum Adsorbieren von Kohlenmonoxid adsorbiert wird, wobei das Adsorptionsmittel in einem zweiten Raum angeordnet ist, der mit dem ersten Raum verbunden ist;
Erhöhen des Sauerstoff-Partialdrucks in dem ersten Raum durch das Pumpelement,
Messen der Zeitdifferenz zwischen der Zeit, in der das Sauerstoff-Gas in dem ersten Raum eine erste Nachweis­ elektrode zum Bestimmen des Sauerstoff-Partialdrucks in dem Adsorptionsmittel erreicht, und der Zeit, in der das Sauer stoff-Gas in dem ersten Raum eine zweite Nachweiselektrode zum Bestimmen des Sauerstoff-Partialdrucks in einem dritten Raum, der mit dem ersten Raum verbunden ist, erreicht; und
Bestimmen der Kohlenmonoxid-Konzentration in dem Gas über die gemessene Zeitdifferenz.
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