DE4415980A1

DE4415980A1 - Vorrichtung zur Temperaturmessung an einer Sauerstoffsonde

Info

Publication number: DE4415980A1
Application number: DE4415980A
Authority: DE
Inventors: Martin Dipl Ing Lenfers
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1994-05-06
Filing date: 1994-05-06
Publication date: 1995-11-09
Also published as: JPH07306098A; US5562811A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Tempe raturmessung an einer Sauerstoffsonde nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

Sauerstoffsonden sind bekannt. Diese weisen ein zwischen zwei Elektroden liegenden ionenleitenden Festelektrolyten auf. Die beiden Elektroden sind dabei gasdurchlässig und mit einer Meßspannung be aufschlagbar. Je nach Sauerstoffgehalt in dem zu messenden Gas stellt sich dabei ein Grenzstrom bzw. eine Nernst-Spannung ein, die von dem Unterschied der Sauerstoffkonzentrationen an den Elektroden ab hängig sind. Derartige Sauerstoffsonden werden bei spielsweise in Kraftfahrzeugen als Lambdasonden eingesetzt, um einen bestimmten Sauerstoffgehalt des Abgases von Brennkraftmaschinen zu messen.

Sauerstoffsonden müssen im aktiven Bereich auf Temperaturen über ca. 300°C erwärmt werden, um die notwendige Ionenleitfähigkeit des Festelektrolyten zu erreichen. Da das Signal der Sauerstoffsonde unter anderem von der Temperatur der Sauerstoff sonde abhängig ist, sind die Temperatur- und Ge schwindigkeitsschwankungen des Meßgases oft so groß, daß die Temperatur der Meßsonde kontrolliert und gegebenenfalls geregelt werden muß, um eine Er höhung der Meßgenauigkeit zu erreichen.

Um die Temperatur an der Meßsonde zu regeln, ist es bekannt, der Meßsonde eine Sondenheizung zuzuord nen, die in Abhängigkeit einer an der Sauerstoff sonde gemessenen Temperatur zu- bzw. abschaltbar ist. Hierbei wird der Effekt ausgenutzt, daß der Innenwiderstand der Sauerstoffsonde temperaturab hängig ist und über dessen Größe auf die Temperatur der Sauerstoffsonde geschlossen werden kann. Hierzu ist bekannt, das Sondensignal mit einem definierten Widerstand zu belasten und aus der resultierenden Belastungsspannung den Innenwiderstand zu berech nen. Weiterhin ist bekannt, dem Sondensignal über einen bekannten Widerstand eine Wechselspannung aufzuprägen und aus dem Spannungsabfall über der Sauerstoffsonde den Wechselstromwiderstand zu be rechnen. Weiterhin kann dem Sondensignal ein Wechselstrom bekannter Amplitude aufgeprägt werden und aus der Reaktion der Sondenspannungsamplitude der Wechselstromwiderstand berechnet werden.

Bei den bekannten Vorrichtungen zur Temperaturmes sung ist nachteilig, daß diese nur sehr aufwendig mit einer Vielzahl von Bauelementen zu realisieren sind und letztlich nur eine Temperatur des Fest elektrolyts bestimmbar ist. Eine Signalspannung der Sauerstoffsonde ist jedoch neben der Temperatur des Festelektrolyts von einem Temperaturunterschied zwischen den Meßelektroden abhängig. Dieser Tempe raturunterschied ist mit den bisherigen Vorrich tungen nicht bestimmbar.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den in An spruch 1 genannten Merkmalen hat demgegenüber den Vorteil, daß eine Ermittlung der Temperatur an dem aktiven Festelektrolyt und eine Ermittlung der Temperaturunterschiede zwischen den Meßelektroden möglich ist. Dadurch, daß wenigstens eine der Elek troden aus einem Material besteht, dessen elek trischer Widerstand von der Temperatur abhängt, und diese Elektrode zwei Anschlüsse zum Messen eines elektrischen Widerstandes der Meßelektroden auf weist, ist es in einfacher Weise möglich, die Elektrode als Teil einer an sich bekannten Brücken schaltung anzuordnen, so daß sich über einen Ab gleich der Brückenschaltung die Temperatur der ent sprechenden Meßelektrode bestimmen läßt. Durch eine entsprechende geometrische Anordnung der Meßelek trode, das heißt, durch eine Wahl der Anschluß punkte und oder der Größe der Kontaktfläche der Meßelektrode, läßt sich die Temperatur an jeder Stelle der Oberfläche des Festelektrolyts bestim men. Durch diese Temperaturmessung findet keine Beeinträchtigung der Funktion der Sauerstoffsonde statt.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß beide Meßelektroden mit jeweils zwei Anschlüssen versehen sind, so daß diese je weils Bestandteil einer Brückenschaltung sind.

Hiermit ist ein Temperaturunterschied zwischen den Meßelektroden bestimmbar.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.

Zeichnung

Die Erfindung wird nachfolgend in einem Aus führungsbeispiel anhand der zugehörigen Zeichnung, die eine Explosionsdarstellung einer Grenzstrom sonde zeigt, näher erläutert.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Die Figur zeigt eine Explosionsdarstellung einer allgemein mit 10 bezeichneten Grenzstromsonde. In der Figur sind nur die Funktionsteile der Grenz stromsonde 10 gezeigt, während aus Gründen der Übersichtlichkeit auf Gehäuse und Anschlüsse ver zichtet wurde. Die Grenzstromsonde 10 weist einen ebenen, länglichen und sauerstoffionenleitenden Festelektrolyt 12 auf, der beispielsweise aus sta bilisiertem Zirkondioxid besteht. Auf der in der Figur nach oben weisenden Oberfläche 14 des Fest elektrolyten 12 ist eine erste Elektrode 16 ange ordnet. Die Elektrode 16 besteht beispielsweise aus einer porösen Platinschicht. Die Elektrode 16 ist dabei an einem vorderen Ende 18 des Festelektro lyten 12 ausgebildet, so daß diese unmittelbar dem Meßgas ausgesetzt ist. Die Elektrode 16 besitzt zwei Anschlüsse 20 und 22, die mit längs des Festelektrolyten 12 verlaufenden Leiterbahnen 24 und 26 kontaktiert sind. Die Elektrode 16 und die Leiterbahnen 24 und 26 können dabei beispielsweise mittels bekannter Drucktechnik auf die Oberfläche 14 des Festelektrolyten 12 aufgebracht sein. Die Elektrode 16 wird durch eine Abdeckung 28 abge kapselt. Die Abdeckung 28 besteht aus einem porösen Material und bildet für die Sauerstoffmoleküle des Meßgases einen definierten Diffusionswiderstand. Die Abdeckung 28 kann beispielsweise durch Auf pressen von Zirkondioxid, Aluminiumoxid oder Magnesium-Spinell und anschließendem Glühen aufge bracht werden. Die Abdeckung 28 ist über dem ge samten Festelektrolyt 12 angeordnet und deckt somit die Elektrode 16 und die Leiterbahnen 24 und 26 ab. Am abgasfernen Ende besitzt die Abdeckung 28 Aus sparungen, die ein Kontaktieren der Leiterbahnen 24 und 26 ermöglichen.

Auf einer in der Figur nach unten weisenden Ober fläche 29 des Festelektrolyten 12 ist eine zweite Meßelektrode 30 angeordnet. Die Meßelektrode 30 weist Anschlüsse 32 und 34 auf, die mit längs des Festelektrolyten 12 verlaufenden Leiterbahnen 36 und 38 kontaktiert sind. Die Meßelektrode 30 besteht ebenfalls beispielsweise aus einer porösen Platin schicht. Zwischen den Leiterbahnen 36 und 38 und dem Festelektrolyten 12 ist eine elektrische Iso lierschicht 40 angeordnet. Die Isolierschicht 40 verhindert Kurzschlußströme zwischen den Leiter bahnen 24 bzw. 26 und den Leiterbahnen 36 bzw. 38. Die Isolierschicht 40 kann beispielsweise aus Zir kondioxid oder Aluminiumoxid bestehen. Die Meß elektrode 30 und die Leiterbahnen 36 und 38 sind durch eine weitere Isolierschicht 42 abgedeckt, die ebenfalls beispielsweise aus Zirkondioxid oder Alu miniumoxid besteht, jedoch wenigstens einen seit lichen Zutritt von dem sauerstoffhaltigen Meßgas zur Meßelektrode 30 gestattet. Die Isolierschicht 42 besitzt an dem meßgasfernen Ende Ausparungen, die ein Kontaktieren der Leiterbahnen 36 und 38 ge statten. Auf der Isolationsschicht 42 ist ein Heiz element 44 aufgebracht, beispielsweise aufgedruckt, das mit längs des Festelektrolyten 12 verlaufenden Leiterbahnen 46 und 48 kontaktiert ist. Das Heiz element 44 ist beispielsweise als mäanderförmig verlaufende Leiterbahn 50 ausgebildet, die mit den Leiterbahnen 46 und 48 verbunden ist. Das Heizele ment 44 ist mit einer weiteren Abdeckung 52 ver sehen, die aus einem porösen Material, beispiels weise Zirkondioxid oder Aluminiumoxid besteht. Die Leiterbahnen 46 und 48 sowie die Abdeckung 52 sind verkürzt, um einen Kurzschluß zwischen den Leiter bahnen 36 und 46 bzw. 38 und 48 zu vermeiden und um die Kontaktierung der Leiterbahnen 36, 38, 46 und 48 zu ermöglichen. In der Figur ist lediglich bei spielhaft eine Grenzstromsonde 10 dargestellt, die in zusammengebautem Zustand eine Höhe von ca. 1 mm und eine Breite von ca. 5 mm besitzt.

Während des Betriebes der in der Figur gezeigten Grenzstromsonde 10 wird diese in dem sauerstoff haltigen Meßgas beispielsweise einem Abgas eines Kraftfahrzeuges ausgesetzt. An die Elektroden 16 und 30 wird eine elektrische Spannung angelegt. Die Sauerstoffmoleküle des Meßgases diffundieren durch die Elektroden 16 und 30 sowie den Festelektrolyten 12 hindurch und werden aufgrund der angelegten elektrischen Spannung in Sauerstoffionen umgesetzt. Der hierauf fließende Grenzstrom wird mittels eines nicht dargestellten Meßgerätes gemessen und gibt ein Maß für die Sauerstoffkonzentration in dem Meßgas und damit beispielsweise für die Einstellung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges.

Erfindungsgemäß wird über die Leiterbahnen 24 und 26 bzw. 36 und 38 gleichzeitig der elektrische Wider stand der Elektroden 16 bzw. 30 gemessen. Die Elektroden 16 und 30 bestehen aus einem Material, beispielsweise Platin, das seinen Widerstandswert temperaturabhängig ändert. Indem die Elektroden 16 und 30 in einfacher Weise in eine nicht darge stellte, allgemein bekannte Brückenschaltung inte griert werden, läßt sich aufgrund der Verstimmung der Brückenschaltung auf eine Veränderung des Wider standswertes der Elektroden 16 bzw. 30 schließen. Da das Widerstands-Temperaturverhalten der Elektroden 16 und 30 bekannt ist, läßt sich hieraus auf die konkrete, in unmittelbarer Nähe des Festelektrolyten 12 vorhandene Temperatur schließen. Für eine aus reichende exakte Temperaturmessung ist an sich die Ausstattung einer der Elektroden 16 und 30 mit den zwei zur Widerstandsmessung vorgesehenen Leiter bahnen 24 und 26 bzw. 36 und 38 notwendig. In bevorzugter Weise sind jedoch beide Elektroden 16 und 30 mit jeweils zwei Leiterbahnen verbunden, so daß die Temperatur der Elektrode 16 und die Tempe ratur der Elektrode 30 unabhängig voneinander be stimmbar ist. Durch einen sich ergebenden Tempera turunterschied zwischen den Elektroden 16 und 30, der die Signalspannung der gesamten Grenzstromsonde 10 beeinflußt, kann sehr genau eine Abweichung der Signalspannung durch den Temperaturunterschied be stimmt werden, so daß diese Abweichung bei der Be stimmung des Sauerstoffgehaltes des Meßgases ent sprechend berücksichtigt werden kann. Insgesamt ist somit eine sehr viel genauere Bestimmung des Sauer stoffgehaltes des Meßgases möglich.

Claims

1. Vorrichtung zur Temperaturmessung an einer Sau erstoffsonde, insbesondere einer Lambdasonde mit einem zwischen zwei Elektroden angeordneten Fest elektrolyten, dadurch gekennzeichnet, daß wenig stens eine der Elektroden (16, 30) zwei Anschlüsse (20, 22 bzw. 32, 34) zum Messen eines elektrischen Widerstandes der Elektroden (16, 30) aufweist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Anschlüsse (20, 22 bzw. 32, 34) als Leiterbahnen (24, 26 bzw. 36, 38) ausgebildet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die einer Elektrode (16) zugeordneten Leiterbahnen (24, 26) auf dem Festelektrolyten (12) aufgedruckt sind und die der anderen Elektrode (30) zugeordneten Leiterbahnen (36, 38) gegen den Fest elektrolyten (12) isoliert sind.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (16, 30) aus einem einen temperaturabhängigen Wi derstandswert aufweisenden Material bestehen.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (16, 30) aus Platin bestehen.

6. Vorrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (16, 30) als Bauelement einer Brückenschaltung geschaltet sind.