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Die Erfindung betrifft einen elektrochemischen
Meßfühler zur
Bestimmung des Sauerstoffgehalts in Gasen mit einer internen Sauerstoffreferenz.
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Aus der
DE 33 15 654 C2 ist ein
Meßfühler mit
interner Sauerstoffreferenz bekannt der nach dem aus der
DE OS 27 11 880 bekannten
Diffusionsgrenzstromprinzip arbeitet.
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Dieser Sensor besteht aus einem Festelektrolyten
aus Zirkondioxid, der zwei Paare aus sauerstoffdurchlässigen Elektroden
trägt,
die zumindest teilweise aus Platin bestehen.
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Das eine der beiden Elektrodenpaare
bildet in Verbindung mit dem Elektrolyten eine Meßzelle. Eine
der beiden Elektroden dient als Kathode und ist dem Meßgas indirekt über eine
als Diffusionsbegrenzung wirkende poröse Zwischenschicht ausgesetzt. Aus
dem Meßgas
zur Kathode diffundierende Sauerstoffmoleküle werden dort katalytisch
zu Sauerstoffionen dissoziiert. Unter dem EinfluB einer von außen an die
Elektroden der Meßzelle
angelegten Spannung wandern die negativen Sauerstoffionen zur Anode.
Dem Grenzstromprinzip entsprechend ist die Spannung so bemessen,
daß die
Stärke
des von den Sauerstoffionen getragenen elektrischen Stroms im wesentlichen
von der Pate abhängt,
mit der Sauerstoff aus dem Meßgas
zur Meßelektrode
diffundiert. Bekanntlich hängt
diese Rate von der Sauerstoffkonzentration im Abgas ab, so daß der diffusionsbegrenzte
Stromfluß ein
Maß für die Meßgaszusammensetzung
darstellt.
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Zur Aufrechterhaltung eines aus meßtechnischen
Gründen
wünschenswerten
konstanten Sauerstoffpartialdrucks an der Anode der Meßzelle grenzt
diese Anode an ein kleines porös
gefülltes
Volumen, das weitgehend vom Meßgas
und von der Umgebungsluft isoliert ist.
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Ebenfalls an dieses Volumen grenzt
die Anode des zweiten Elektrodenpaars, das zusammen mit dem Elektrolyten
und einer von außen
angelegten Spannung eine Pumpzelle bildet.
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Die Kathode der Pumpzelle ist dem
Meßgas direkt
ausgesetzt, so daß der
gepumpte Ionenstrom nicht durch eine Diffusionsbegrenzung beschränkt wird.
Die an der Anode der Pumpzelle austretenden Sauerstoffteilchen bilden
innerhalb des kleinen porösen
Volumens eine interne Referenzatmosphäre.
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Um den Druck dieser Referenzatmosphäre auf zulässige Werte
zu beschränken,
sind feine Bohrungen zum Meßgas
vorgesehen.
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Die genannte Schrift gibt keine Hinweise,
wie bzw. nach welchen Kriterien die als Mittel zum Überdruckausgleich
wirkenden Bohrungen zu dimensionieren sind.
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In diesem Zusammenhang ergibt sich
folgendes Problem: Einerseits muß die druckbegrenzend wirkende
Verbindung der Referenzatmosphäre zum
Meßgas
gewährleisten,
daß auch
bei kurzzeitig erhöhtem
Pumpstrom keine mechanische Beschädigung des Meßfühlers auftritt.
Sie muß daher
einen gewissen Mindestteilchenstrom ermöglichen.
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Ermöglicht die Verbindung andererseits
einen zu großen
Teilchenstrom, kann es zu einer Verfälschung der Referenzatmosphäre durch
Meßgaseinflüsse kommen.
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Ist das Meßgas bspw. das Abgas einer Brennkraftmaschine,
können
unverbrannte Kraftstoffteilchen aus dem Abgas in das Referenzgasvolumen
diffundieren, dort Sauerstoff binden und damit den Sauerstoffpartialdruck
erheblich beeinflussen. Dieser Fall kann insbesondere bei kraftstoffreicher Gemischzusammensetzung
oder stillstehender Brennkraftmaschine und ausgeschalteter Pumpspannung
eintreten. Eine denkbare Abhilfe besteht darin, den Pumpstrom im
Betrieb der Brennkraftmaschine so stark zu erhöhen, daß der Sauerstoffteilchenstrom
vom Referenzgasvolumen durch die Verbindung zum Meßgas für eine Spülung des
Referenzgasvolumens sorgt.
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Dem steht entgegen, daß eine längerfristige Erhöhung des
Pumpstroms zu einer Zersetzung des Elektrolyten und damit zu einer
Zerstörung
des Meßfühlers führen kann.
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Diese Probleme treten auch auf, wenn
der Überdruckausgleich
nicht zum Meßgas,
sondern zur Umgebungsluft gerichtet ist, da die unmittelbare Umgebung
des Meßfühlers insbesondere
bei stillstehender Brennkraftmaschine Kraftstoffdämpfen oder
anderen Verunreinigungen ausgesetzt sein kann.
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Vor diesem Hintergrund besteht die
Aufgabe der Erfindung in der Angabe eines Meßfühlers mit interner gepumpter
Sauerstoffreferenzatmosphäre
und einem
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Mittel zum Druckausgleich, das so
dimensioniert ist, daß einerseits
mechanische Beschädigungen
durch Überdrücke im Referenzgasvolumen
zuverlässig
verhindert werden und daß andererseits äußere Einflüsse auf
die Zusammensetzung der gepumpten Meßgasatmosphäre weitgehend ausgeschlossen
sind.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch
einen Meßfühler zur
Bestimmung der Konzentration von Sauerstoff in einem Meßgas
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- – mir
einem sauerstoffionenleitenden Festelektrolyten, der
- – eine
dem Meßgas
ausgesetzte Meßelektrode und
- – eine
einem Referenzgas ausgesetzte Referenzelektrode trägt,
- – wobei
ein Teilchenaustausch zwischen Meßgas und Referenzgas im wesentlichen
nur über
den Festelektrolyten und zwischen Meßgas und Umgebungsluft nur über ein
Mittel zum Überdruckausgleich
erfolgt und
- – wobei
an den Elektroden im Meßbetrieb
zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration eine elektrische Spannung
mit einer Polarität
liegt, die einen Sauerstoffionenstrom vom Meßgas zum Referenzgas hervorruft,
der sich dadurch auszeichnet, daß
- – das
Mittel zum Überdruckausgleich
dem Teilchenaustausch zwischen Umgebungsluft und Meßgas einen
Widerstand entgegensetzt, der dadurch definiert wird, daß sich bei
einer Umkehr der genannten Polarität ein Diffusionsgrenzstrom mit
einer Stromstärke
von 0,5 bis 50 Mikroampere einstellt.
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Um mögliche Verfälschungen der Referenzatmosphäre im Betrieb
des Meßfühlers zu
vermeiden, sollte der mit dem Meßstrom verbundene Sauerstoffionenstrom
vom Meßgas
zur Referenzatmosphäre
den Teilchenfluß von
der Umgebung zum Referenzgasvolumen überkompensieren.
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Diese Bedingung läßt sich für typische Auslegungen des
Meßfühlers erfüllen, wenn
der Diffusionsgrenz strom 50 Mikroampere nicht übersteigt.
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Ist eine Verfälschung jedoch eingetreten, sollte
der Teilchenaustausch andererseits nicht zu sehr behindert sein,
um eine Spülung
des Referenzgasvolumens, bspw. durch einen vorübergehend erhöhten Pumpstrom
zu ermöglichen.
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Typischerweise weist der Meßfühler eine
gewisse natürliche
Leckrate, bedingt durch Mikroporosität des Elektrolyten oder Fehlstellen
auf, die einem Diffusionsgrenzstrom in der Größenordnung kleiner als 0,5
Mikroampere entspricht.
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Für
den typischen Anwendungsfall der Erfassung des Sauerstoffgehalts
im Abgas einer Brennkraftmaschine
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haben sich für die dort herrschenden Bedingungen,
zu denen auch die mir Rücksicht
auf Kosten, Aufheizzeit und Festigkeit vorgegebene Sensorgeometrie
zählt,
die Bereiche von 0,5 bis 50 Mikroampere, insbesondere von 1 bis
10 Mikroampere als vorteilhaft erwiesen.
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Beim bestimmungsgemäßen Gebrauch
des Meßfühlers liefert
dieser eine elektrische Spannung von größenordnungsmäßig 1 Volt.
Die Messung dieser Spannung mit einem Spannungsmeßgerät mit einem
Innenwiderstand von 1 Megaohm führt
zu einem Meßstrom
von 1 Mikroampere. Da dieser Meßstrom innerhalb
des Elektrolyten von Sauerstoffionen, die vom Referenzgasvolumen
zum Meßgas
wandern getragen wird, besteht ohne die Nachlieferung von Sauerstoff
zum Referenzgasvolumen die Gefahr, daß der Sauerstoffpartialdruck
im Referenzgasvolumen abfällt
und die Messung verfälscht.
Der von außen
eingeprägte
Pumpstrom, der Sauerstoff an das Referenzgasvolumen liefert, besitzt
vorteilhafterweise eine ähnliche
Größenordnung.
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Der Überdruckausgleich muß in der
Lage sein, diesen Pumpstrom ggf. zur Umgebung abfließen zu lassen.
Vor diesem Hintergrund hat sich eine Auslegung des Mittels zum Überdruckausgleich
auf eine Grenzstromstärke
von ca. 3 Mikroampere als vorteilhaft erwiesen.
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Das Mittel zum Überdruckausgleich kann bspw.
durch einen dünnen,
mit porösem
Material ausgefüllten
Kanal oder durch eine poröse
Referenzelektrodenzuführung
realisiert werden.
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Das derart definierte Mittel zum Überdruckausgleich
ermöglicht
einen sehr schwachen geringen Teilchenaustausch zwischen der internen
gepumpten Sauerstoffreferenzatmosphäre und der Umgebungsluft durch
Diffusion.
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Beim Einsatz des erfindungsgemäßen Meßfühlers zur
Regelung des Kraftstoff/Luft-Verhältnisses für eine ein Fahrzeug antreibende
Brennkraftmaschine wird der EinfluB von Verunreinigungen der Umgebungsluft
in Meßfühlernähe auf die
Referenzgasatmosphäre
gegenüber
einem McBfühler
mit Luftreferenz deutlich vermindert. Gegenüber einem zum Abgas der Brennkraftmaschine
erfolgenden Überdruckausgleich
besitzt der erfindungsgemäße Meßfühler den
Vorteil, daß fettes
Abgas nicht zu einer Beeinträchtigung
der Referenzgasatmosphäre führt. Aus
diesem Grund kann der über
den Diffusionsgrenzstrom definierte Pumpstrom auf Werte beschränkt werden,
bei denen keine merkliche Zersetzung des Elektrolyten auftritt.
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Die erwähnten Vorteile lassen sich überdies mit
einem einfachen, kostengünstigen
und stabilen Aufbau des Meßfühlers erzielen.
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1 offenbart
ein Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Meßfühlers zusammen
mit einer elektrischen Beschaltung, mit deren Hilfe die erfindungswesentliche
Eigenschaft des Meßfühlers quantitativ
erfaßbar
ist.
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2 zeigt
verschiedene Strom-Spannungs-Kennlinien der Anordnung aus 1 mit einem Parameter, der
im dargestellten Ausführungsbeispiel
die erfindungswesentliche Eigenschaft des Meßfühlers mitbestimmt.
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3 stellt
das Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Meßfühlers aus 1 zusammen mit einer elektrischen
Beschaltung zum bestimmungsgemäßen Gebrauch
des Meßfühlers dar.
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4 zeigt
das Ausgangssignal der Anordnung aus 3,
wie es sich in Abhängigkeit
vom Sauerstoffgehalt im Abgas, hier angegeben durch die Luftzahl
Lambda des einer Brennkraftmaschine zugeführten Kraftstoff/ Luft-Gemisches,
einstellt.
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5 stellt
schematisch die Verwendung des erfindungsgemäßen Meßfühlers zur Regelung der Gemischzusammensetzung
einer Brennkraftmaschine dar.
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6 offenbart
weitere Ausführungsbeispiel zur
Gestaltung des erfindungsgemäßen Meßfühlers.
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Die 1 in der 1a stellt einen sauerstoffionenleitenden
Festelektrolyten dar, der eine Meßelektrode 2 und eine
Referenzelektrode 3 trägt.
Die Referenzelektrode steht mit einer Referenzatmosphäre in einem
Referenzgasvolumen 4 innerhalb der Meßfühlers in Verbindung. Der dünne porös gefüllte Kanal 5 ermöglicht einen
definierten aber sehr geringen Teilchenaustausch zwischen Referenzatmosphäre und Umgebungsluft.
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Die Fig.
1b stellt den Meßfühler aus
der 1a um 90 Grad gedreht
und in Höhe
der Markierungen A, B in der 1a geschnitten
dar.
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i Die gezeigte Meßanordnung erzeugt ein elektrisches
Feld zwischen den Elektroden 2 und 3, das so gerichtet
ist, daß der
an der Referenzelektrode katalytisch zu Ionen dissoziierte Sauerstoffteilchen
zur Meßelektrode
wandern.
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Der damit verbundene Stromfluß im Meßstromkreis
aus Spannungsquelle 6, Amperemeter 7, Elektroden 2 und 3 plus
Zuleitungen und Festelektrolyt 1 wird durch das Amperemeter 7 registriert.
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Einer Verringerung des Sauerstoffpartialdrucks,
wie sie durch die Richtung des elektrischen Feldes begünstigt wird,
wirkt die Nachlieferung von Sauerstoff aus der Umgebungsluft über den
dünnen porös gefüllten Kanal 5 entgegen.
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Zu diesem Zweck ist der Strömungswiderstand
des Kanals 5 durch seine geometrischen Abmessungen (Durchmesser
d) und die Beschaffenheit seiner Füllung (Porengröße) erfindungsgemäß so dimensioniert,
daß bei
Anlegen einer geeigneten Pumpspannung Umeß mittels einer Spannungsquelle 6 ein
Grenzstrom Ip von der Meßelektrode
zur Referenzelektrode in der Größenordnung
von 1 bis 10 Mikroampere fließt.
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Die durchgezogene Strom-Spannungskennlinie
in der 2 zeigt einen
Verlauf mit einem Grenzstromplateau zwischen 1 und 10 Mikroampere, wie
es der Erfindung entspricht.
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Dieser Grenzstrom zeichnet sich dadurch aus,
daß die
Stromstärke
durch die Zahl der zur Elektrode diffundierenden Sauerstoffteilchen
bestimmt wird und nicht etwa durch die Rate, mit der Sauerstoffmoleküle an der
Elektrode in Ionen dissoziiert werden.
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Ist das elektrische Feld stark genug,
um diese Teilchenzahl über
den Elektrolyten abfließen
zu lassen, bringt eine weitere Erhöhung der Feldstärke keine
Erhöhung
der Stromstärke
mit sich. Der Bereich a der durchgezogenen Kennlinie in der 2 verdeutlicht die Invarianz
des Stroms bzgl. Spannungsänderungen.
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Mit anderen Worten: Der Grenzstrom
Ip charakterisiert die Stärke
des Teilchenaustausches zwischen Refe renzgasvolumen und Umgebungsluft.
Der Widerstand eines Druckausgleichskanals 5 der Dicke 1·d eines
Meßfühlers, der
die durchgezogene Kennlinie liefert, ist daher erfindungsgemaB gewählt. Ändert man
dagegen die Dicke auf 2·d
bei ansonsten gleichen Bedingungen, erhält man einen Meßfühler mit
einem höheren
Grenzstromwert, wie durch die gestrichelte Kennlinie in der 2 dargestellt. Ein zu hoher
Grenzstromwert korrespondiert gewissermaßen mit einer zu starken Kopplung
der Zusammensetzung der Referenzgasatmosphäre an die Zusammensetzung der
Umgebungsluft mit den weiter oben erwähnten Nachteilen.
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3 zeigt
den Meßfühler nach 1 zusammen mit einer Beschaltung
zum bestimmungsgemäßen Gebrauch,
also zur Messung der Sauerstoffkonzentration in einem Meßgas.
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Zu diesem Zweck ist die Meßelektrode 2 mit dem
Minuspol und die Referenzelektrode 3 mit dem Pluspol einer
Strom/Spannungsversorgung 11 verbunden. Ein Voltmeter 9 dient
zu Messung des Meßfühlersignals
Us, das sich in der dargestellten Anordnung zu Us = Un+Ri·Ip ergibt,
wobei Ri der Innenwiderstand des Meßfühlers, Un seine Nernstspannung, die
sich aus dem Unterschied der Sauerstoffpartialdrücke in Meß- und Referenzgas ergibt,
und Ip dem Pumpstrom entspricht.
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Im Gegensatz zur Anordnung nach der Fig. 1 ist der Pumpstrom hier
so gerichtet, daß Sauerstoffionen
vom Meßgas
zum Referenzgas transportiert werden, wobei ein evtl. Überschuß über den
Kanal 5 zur Umgebungsluft abfließen kann.
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4 zeigt
das Meßsignal
dieser Anordnung über
der Sauerstoffkonzentration im Meßgas, hier beispielhaft dargestellt
durch die Luftzahl Lambda des Kraftstoff/ Luft-Gemisches für eine Brennkraftmaschine.
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5 zeigt
schematisch einen an sich bekannten Regelkreis für die Luftzahl Lambda unter Verwendung
des erfindungsgemäßen Meßfühlers 11, eines
Regelers 12 und eines Stellgliedes 13, bspw. einem
Kraftstoffeinspritzventil.
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6a zeigt
als weiteres Ausführungsbeispiel
des Mittels zum Überdruckausgleich
einen mäanderartig
verlaufenden Kanal 5 und Fig.
6b stellt ein gedrucktes Gitter als Mittel zum Überdruckausgleich dar.
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Die Ausführungsbeispiele können miteinander
kombiniert werden. Bspw. kann jede geometrische Struktur mit einer
porösen
Masse gefüllt
sein, deren Widerstand, bspw. über
deren Porengröße, bei der
Konstruktion des Meßfühlers berücksichtigt
werden kann.