DE19716173C2

DE19716173C2 - Prüfung des Leckstroms bei planaren Lambdasonden

Info

Publication number: DE19716173C2
Application number: DE19716173A
Authority: DE
Inventors: Harald Neumann; Walter Strassner; Lothar Diehl
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1997-04-18
Filing date: 1997-04-18
Publication date: 2000-05-04
Anticipated expiration: 2017-04-19
Also published as: US6084414A; JPH10300715A; JP4188447B2; DE19716173A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Prüfung des Leckstroms einer Sauerstoffsonde, insbesondere einer pla naren Lambdasonde, welche mindestens ein Heizelement, eine Außen- und eine Innenelektrode und einen zwischen diesen Elektroden angeordneten Festkörperelektrolyt auf weist, wobei das Heizelement mit einer ersten Spannung be aufschlagt wird.

Stand der Technik

Verfahren zur Prüfung des Leckstroms von Lambdason den sind bekannt. Allgemein weisen Lambdasonden zwei Elektroden auf, zwischen denen ein Festkörperelektrolyt eingebracht ist. Des weiteren ist ein Heizelement vorgese hen, das durch eine Isolationsschicht elektrisch von den bei den Elektroden isoliert ist. Weist diese Isolationsschicht eine oder mehrere elektrische Leckstellen auf, wird zwischen dem Heizelement und einer der Elektroden ein Leckstrom ausgebildet, der sich dem Meßstrom bei der Messung der Sauerstoffkonzentration in der Lambdasonde überlagert und somit das Meßergebnis verfälscht.

Zur Messung dieses Leckstroms wird üblicherweise das Heizelement mit einer Spannung beaufschlagt und der Strom über die, auch als Außenelektrode bezeichnete Elek trode gemessen. Sie wird dazu über einen Strommesser mit Masse verbunden. Weist die Isolation zwischen dem Heize lement und dieser Außenelektrode eine elektrische Leck stelle auf, so stellt sich am Strommesser nach Anlegen der Spannung an das Heizelement ein Wert ein, der, falls dieser über einem Grenzwert liegt, auf eine Leckstelle hinweist. Dieser Leckstrom, der sich nach einem Einschwingvorgang einstellt, bildet den quasistationären Leckstrom, der nach folgend als Leckstrom bezeichnet wird.

Nachteilig an diesem Verfahren ist, daß sich an der Leck stelle der Isolationsschicht O^2--Ionen zu einer Raumladung sammeln. Zwischen der Raumladung und dem Heizelement bildet sich ein elektrische Feld aus, das dem zwischen dem Heizelement und der Außenelektrode aufgebauten Feld ent gegengerichtet ist und folglich den zur Außenelektrode ab fließenden Ionenstrom verringert. Dadurch können kleinere Leckstellen in der Isolation nicht detektiert werden.

Ein weiterer Nachteil dieses Verfahrens ergibt sich dar aus, daß die Außenelektrode und ein Anschluß des Heizele ments auf einem gemeinsamen Potential liegen. Dadurch können Leckstellen in der Nähe dieses Anschlusses des Hei zelementes aufgrund des fehlenden Potentialunterschieds nicht detektiert werden.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren mit den in Anspruch 1 genannten Merkmalen hat demgegenüber den Vorteil, daß der Leckstrom wesentlich größer und die Position der Leck stelle durch eine Verfärbung an der Oberfläche der Lambda sonde lokalisierbar ist. Dazu wird die Außenelektrode oder die Innenelektrode mit einer zweiten Spannung beauf schlagt, die größer als die an das Heizelement angelegte Spannung ist. Dies hat zur Folge, daß sich keine Raumla dung an der Isolationsschicht bildet. Vielmehr wandern die O^2--Ionen dem elektrischen Feld folgend von der Leckstelle der Isolation zur Außenelektrode beziehungsweise Innen elektrode. Der meßbare Leckstrom wird also nicht durch eine Raumladung verringert und weist deshalb einen we sentlich größeren Wert auf. Es werden gegenüber dem be kannten Verfahren 10- bis 100-fach größere Leckströme ge messen. Dadurch wird es vorteilhafterweise möglich, auch kleinere Leckstellen in der Isolationsschicht zu detektieren.

Ein weiterer Vorteil ergibt sich daraus, daß durch die po sitive Spannung zwischen der Elektrode und dem Heizele ment Leckstellen über den gesamten Bereich der Isolations schicht insbesondere auch im Bereich des Masseanschlusses des Heizelements aufgrund des stets vorhandenen Potential unterschieds detektierbar sind.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß die zur Außenelektrode wandernden O^2--Ionen eine Reduktionsreaktion im Festkörperelektrolyt bewirken und eine Schwarzfärbung desselben hervorrufen, die sich bis zur Oberfläche der Lambdasonde ausbildet und somit auf die Position der Leckstelle in der Isolation hin weist. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es mithin in vorteilhafter Weise möglich, sowohl Leckstellen an jeder Position der Isolation zu lokalisieren, als auch, be dingt durch den höheren Leckstrom, kleine Leckstellen zu detektieren.

Zeichnung

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausfüh rungsbeispiels mit Bezug auf eine Zeichnung näher erläu tert. Die einzige Figur zeigt dabei eine Explosionsdarstel lung einer Lambdasonde und den Meßaufbau.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Die Figur zeigt den prinzipiellen Schichtaufbau einer Lambdasonde 1, der für das erfindungsgemäße Verfahren wesentlich ist. Die Lambdasonde 1 weist eine annähernd rechteckförmige untere Abdeckung 3, beispielsweise in Form einer Folie, und ein in einer darüberliegenden Schicht angeordnetes Heizelement 5 auf, das ebenfalls als Folie aus gebildet sein kann. Auf diesem sind mäanderförmig verlau fende Leiterbahnen 7 ausgebildet, die das Heizelement 5 bil den und mit als Leiterbahnen ausgebildeten Anschlüssen 9 und 11 elektrisch verbunden sind. Über dem Heizelement 5 ist eine Isolationsschicht 13 und ein Festkörperelektrolyt 14 angeordnet. Der Isolationsschicht 13 kommt die Aufgabe zu, das Heizelement 5 gegenüber einer über der Isolations schicht 13 angeordneten ersten Elektrode 15 zu isolieren. Im weiteren Schichtverlauf der Lambdasonde 1 folgt dieser Elektrode 15 ein weiterer Festkörperelektrolyt 19 und eine zweite Elektrode 21, die im folgenden als Außenelektrode bezeichnet wird.

Zu der auch als Innenelektrode bezeichneten Elektrode 15 führen Leitungen 22, die durch eine Isolationsschicht 17 vom Festkörperelektrolyt 19 elektrisch getrennt sind. Die beiden Elektroden- 15 und 21 bilden zusammen mit dem Festkörperelektrolyt 19 jenen Teil der Lambdasonde 1, der zur Messung der Sauerstoffkonzentration eines Gases dient. Die Außenelektrode 21 wird von einer Abdeckung 23 abge deckt, die als obere Begrenzung der Lambdasonde 1 dient.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Messung des Leck stroms sieht vor, daß an die Anschlüsse 9, 11 des Heizele ments 5 eine von einer Gleichspannungsquelle 25 gelieferte Spannung U₁ von beispielsweise 15 V angelegt wird, wobei der Anschluß 11 auf Masse liegt. Mit dieser Spannung wird der zu charakterisierende Bereich des Festkörperelektrolyts auf eine Arbeitstemperatur von etwa 600°-800°C erwärmt. Die zweite Elektrode 21 wird durch eine weitere Gleich spannungsquelle 27 mit einer Spannung U₂ beaufschlagt, die bezogen auf Masse vorzugsweise um die Zersetzungs spannung des Festkörperelektrolyt größer als die Spannung U₁ ist und beispielsweise 30 V beträgt. Hieraus ergibt sich also ein Potentialunterschied zwischen Außenelektrode und einer beliebigen Stelle des Heizelements 5 von ≦ 15 V, wo bei der Potentialunterschied etwa 30 V zwischen Elektrode und Heizelement im Bereich des Masseanschlusses und etwa 15 V im Bereich des positiven Anschlusses 9 beträgt. Für das erfindungsgemäße Verfahren ist es wichtig, daß die Spannung U₂ so gewählt wird, daß der Potentialunterschied zwischen Meßelektrode (Außen- oder Innenelektrode) und einer beliebigen Stelle des Heizelements 5 größer der Zer setzungsspannung des Festkörperelektrolyt ist.

In die Verbindung von Spannungsquelle 27 zur zweiten Elektrode 21 ist zusätzlich ein Strommesser 29 geschaltet, der der Messung des Leckstroms dient. Im Falle einer Leck stelle in der Isolationsschicht 13 bewirken die beiden Span nungen U₁, U₂ beziehungsweise der positive Potentialunter schied zwischen der Außenelektrode und dem Heizelement 5 folgendes:

Bedingt durch die erwähnte Potentialdifferenz bildet sich ein elektrisches Feld zwischen der Außenelektrode 21 und dem Heizelement 5 aus. Der aus ZrO₂ bestehende Festkör perelektrolyt 19 besitzt eine hohe Ionenleitfähigkeit, so daß Zr⁴⁺ und O_2--Ionen im elektrischen Feld entstehen. Die Leckstelle in der Isolationsschicht 13 führt zu einer elektri schen Verbindung des Festkörperelektrolyt 19 mit dem Hei zelement 5 und bewirkt einen Strom von geladenen Teilchen zum Heizelement 5. Gleichermaßen wandern die O^2--Ionen dem elektrischen Feld folgend zur Außenelektrode, werden dort unter Abgabe von je zwei Elektronen in atomaren Sau erstoff umgesetzt und diffundieren durch die gasdurchläs sige Abdeckung 23 als Sauerstoff nach außen. Die abgege benen Elektronen fließen dann über die Spannungsquelle 27 ab, wobei dieser Strom vom Strommesser 29 als Leckstrom detektierbar ist. Durch die Abgabe des Sauerstoffs entsteht im Festkörperelektrolyt 19 eine hohe Konzentration von Sauerstoffleerstellen, die als Schwarzfärbung bis an die Oberfläche der Lambdasonde 1 sichtbar ist. Da dieser in der Lambdasonde 1 entstehende Pfad im wesentlichen geradli nig verläuft, läßt sich von der Position der äußeren sichtba ren Schwarzfärbung auf die Position der Leckstelle schlie ßen.

Claims

1. Verfahren zur Prüfung des Leckstroms einer Sauerstoffsonde, insbesondere einer planaren Lambdasonde, welche mindestens ein Heizelement, eine Außen- und eine Innenelektrode und ei nen zwischen diesen Elektroden angeordneten Festkörperelek trolyt aufweist, wobei das Heizelement gegenüber dem Feste lektrolyten mit einer elektrischen Isolationsschicht bedeckt ist und mit einer ersten Spannung U₁ beaufschlagt wird und wobei zwischen dem Heizelement und mindestens einer der Elek troden der Leckstrom ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß besagte Elektrode (21, 22) mit einer zweiten Spannung U₂ beaufschlagt wird, die so gewählt ist, daß der Potentialun terschied zwischen der Elektrode (21, 22) und dem Heizelement positiv ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Spannung (U₂) größer als die erste Spannung (U₁) ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Spannung (U₂) größer gewählt wird als die Summe aus der ersten Spannung (U₁) und einer Zersetzungsspannung des Festelektrolyts (19).

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Spannung (U₁) so gewählt wird, daß der Festkörperelek trolyt am zu charakterisierenden Bereich auf 600-800°C er wärmt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit tels einer externen Heizeinrichtung an dem zu charakterisie renden Bereich des Festkörperelektroylts eine Temperatur von 600-800°C eingestellt wird, wobei die erste Spannung (U₁) gleich 0 und die zweite Spannung (U₂) größer als oder gleich der Zersetzungsspannung ist.