DE69105770T2

DE69105770T2 - Sauerstoffsensor.

Info

Publication number: DE69105770T2
Application number: DE69105770T
Authority: DE
Inventors: Takeshi Nagai; Kunihiro Tsuruda
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1990-02-13
Filing date: 1991-02-11
Publication date: 1995-05-04
Anticipated expiration: 2011-02-12
Also published as: KR910015855A; US5186810A; EP0442415A2; CA2036073C; AU631295B2; EP0442415A3; JPH03264858A; EP0442415B1; AU7094391A; DE69105770D1; KR940002637B1

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf einen Sauerstoffsensor zum Erfassen einer Sauerstoffkonzentration.
Bis heute sind verschiedene Arten von Sauerstoffsensoren bekannt. Die Japanische Gebrauchsmusterveröffentlichung 2-34605 offenbart einen Sauerstoffsensor eines Grenzstromtyps mit zwei inneren Kammern. Die beiden Kammern werden jeweils durch sauerstoffionenleitende Festkörper-Elektrolytplatten, Elektroden, die an beiden Oberflächen der Festkörper-Elektrolytplatte gebildet sind, einen Träger und eine Dichtungsschicht, die die Festkörper-Elektrolytplatte und den Träger an ihren Enden luftdicht abschließt, gebildet. Die erste und zweite Kammer halten gemeinsam den gleichen Träger. Die erste Kammer steht über eine erste kleine Gasdiffusions-Steueröffnung mit ihrer Umgebung in Verbindung. Die zweite Kammer ist über eine zweite kleine, auf dem gemeinsamen Träger gebildete, Gasdiffusions-Steueröffnung mit der ersten Kammer verbunden. Wenn die erste kleine Öffnung mit Staub verstopft worden ist, kann dieser Sensor an der kleinen Öffnung einen Anstieg des Diffusionswiderstands erfassen.
Die Schrift US-A 4 938 194 offenbart ein Verfahren zum Bestimmen einer Verunreinigung eines Sauerstoffkonzentrationssensors, bei dem eine einzelne Kammer (Gasdiffusionskammer) mittels eines Sensorkörpers und eines Öffnungsschlitzes zum Verbinden mit einem Auspuffrohr eines Innenverbrennungsmotors gebildet ist. Diese Kammer ist in zwei Unterkammern aufgeteilt, wobei beide Unterkammern durch einen weiteren Schlitz miteinander verbunden sind, der zum Leiten des zu überprüfenden Gases in die zweite Unterkammer vorgesehen ist. Die Sauerstoffkonzentration des Gases in beiden Diffusionskammern wird durch Erfassungs- und Pumpzellen erfaßt, die zwischen jeweiligen Elektroden angeordnet sind. Die zwischen den Elektroden der Zellenelemente erzeugte Spannung wird mit einer vorbestimmten Bezugsspannung verglichen, die danach vom einem ersten vorbestimmten Wert in einen zweiten vorbestimmten Wert geändert wird. Ein Differenzwert eines Pumpstroms wird zwischen den Werten des Pumpstroms erfaßt; wenn der Bezugswert die erste oder die zweite vorbestimmte Bezugsspannung annimmt. Eine Verunreinigung wird festgestellt, wenn der Pumpstrom-Differenzwert größer als ein vorbestimmter Stromwert ist. Alternativ werden zwei Pumpstrom-Differenzwerte unter Verwendung der jeweiligen Sensorzellen und der ersten und zweiten Unterkammer erhalten, wodurch jeder der Pumpstrom-Differenzwerte mit einem besonderen vorbestimmten Bezugswert verglichen wird, und eine Verunreinigung beim Sauerstoffkonzentrationssensor auftritt, wenn entweder der erste Differenzwert größer oder gleich dem ersten vorbestimmten Bezugswert ist oder wenn der zweite Differenzwert größer oder gleich dem zweiten vorbestimmten Bezugswert ist.
Ferner offenbart die US-A 4 808 293 einen Sauerstoffsensor und ein Verfahren zu seiner Herstellung, wobei eine sauerstoffleitende Festkörper-Elektrolytplatte erste und zweite gegenüberliegende Oberflächen und jeweils erste und zweite Elektroden auf den jeweiligen Oberflächen der Elektrolytplatte besitzt. Ein Abstandsrahmen in der Form eines Rings mit einer Öffnung ist mit der ersten Oberfläche der Elektrolytplatte luftdicht verbunden und umgibt die erste Elektrode, wodurch eine einzelne Kammer gebildet wird, die ferner durch eine Dichtungsplatte in der Form einer Scheibe bedeckt ist, deren Durchmesser mit dem Durchmesser des Abstandsrahmens übereinstimmt und mit diesem luftdicht abgeschlossen ist. Die Kammer beherbergt die erste Elektrode und ist nur über ein durch die Öffnung des Abstandsrahmens festgelegtes Fenster mit der Umgebung verbunden.
Außerdem offenbart die Japanische Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift Nr. 60-218058 ein Verfahren zur Selbstüberprüfung mittels eines Sensors, das bei einer Abnahme von Grenzströmen als Folge der Verunreinigung eines Sauerstoffsensors durchgeführt wird. Dieser Sensor besitzt eine innere Kammer. Diese Kammer wird durch eine sauerstoffionenleitende Festkörper-Elektrolytplatte, Elektroden, die an beiden Oberflächen der Festkörper- Elektrolytplatte gebildet sind, einen Träger und eine Dichtungsschicht, die die Festkörper-Elektrolytplatte und den Träger an ihren Enden luftdicht abschließt, gebildet. Gemäß diesem Verfahren werden zwei verschiedene Spannungen abwechselnd zwischen den Elektroden angelegt. Die Verunreinigung des Sensors wird in Übereinstimmung mit Anderungen in einer Wechselbeziehung zwischen zwei Grenzströmen erfaßt.
Eine erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Sauerstoffsensor zu schaffen, der eine Änderung eines Diffusionswiderstands erfassen kann, wenn eine kleine Öffnung mit Staub verstopft worden ist oder feine Risse in einer Dichtungsschicht erzeugt worden sind.
Eine zweite Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Sauerstoffsensor zu schaffen, der eine Abnahme von Grenzströmen erfassen kann, wenn eine Elektrode wegen einer Anhaftung von Staub, wie etwa einem Oxid, verunreinigt wurde.
Erfindungsgemäß werden diese Aufgaben durch eine Sauerstoffkonzentrations-Erfassungseinrichtung gelöst, mit:
einer sauerstoffionenleitenden Festkörper-Elektrolytplatte mit ersten und zweiten gegenüberliegenden Oberflächen,
zumindest einer negativen Elektrode, die auf der ersten Oberfläche der Festkörper-Elektrolytplatte gebildet ist,
zumindest einer positiven Elektrode, die auf der zweiten Oberfläche der Festkörper-Elektrolytplatte an den Positionen gebildet ist, die der zumindest einen negativen Elektrode jeweils gegenüberliegen,
einem Abstandshalter, der mit der ersten Oberfläche der Elektrolytplatte luftdicht verbunden ist und in einer derartigen Weise angeordnet ist, daß er jede der zumindest einen negativen Elektrode umgibt,
einer Dichtungsplatte, die mit dem Abstandshalter luftdicht verbunden ist,
gekennzeichnet durch
eine Vielzahl von geschlossenen Zwischenräumen, die durch die erste Oberfläche der Festkörper-Elektrolytplatte, den Abstandshalter und die Dichtungsplatte festgelegt sind, und wobei die geschlossenen Zwischenräume in einer deartigen Weise gebildet sind, daß jeder aus der Vielzahl von geschlossenen Zwischenräumen eine aus einer Vielzahl von negativen Elektroden enthält,
eine Vielzahl von Fenstern, die derart gebildet sind, daß in einem Außenraum vorhandene Sauerstoffmoleküle in jeden aus der Vielzahl von geschlossenen Zwischenräumen eindringen können, und eine Vielzahl von Erfassungseinrichtungen zum Erfassen von Sauerstoffionenströmen, die durch eine Vielzahl von Elektrodenpaaren fließen, die aus der Vielzahl von negativen und positiven Elektroden bestehen, um eine Verunreinigung zu erfassen, mit:
einer Vielzahl von Gleichspannungs-(DC)-Quellen,
einer Vielzahl von Widerstandseinrichtungen, wobei jede aus der Vielzahl von Gleichspannungs-(DC)-Quellen und jede aus der Vielzahl von Widerstandseinrichtungen mit jeder aus der Vielzahl von negativen und positiven Elektroden in Reihe geschaltet ist, und wobei Spannungen an beiden Enden von jeder aus der Vielzahl von Widerstandseinrichtungen Signalspannungen sind, die Sauerstoffkonzentrationen entsprechen,
einer Spannungsverhältnis-Erfassungseinrichtung zum Erfassen des Verhältnisses von zwei voneinander verschiedenen Signalspannungen unter einer Vielzahl von Signalspannungen, und
einer Vergleichseinrichtung zum Vergleichen des Signalspannungsverhältnisses mit einem gegebenen Wert.
Die Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung für Fachleute offensichtlich werden. Es zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische, in Einzelteile aufgelöste Darstellung eines Sauerstoffsensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 eine perspektivische, in Einzelteile aufgelöste Darstellung eines Sauerstoffsensors gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 Grenzstrom-Sauerstoffkonzentrations-Charakteristiken;
Fig. 4 eine Verunreinigungs-Erfassungseinrichtung;
Fig. 5 ein Flußdiagramm zur Veranschaulichung eines Verunreinigungs-Erfassungsvorgangs;
Fig. 6 eine mit einer Verunreinigungs-Erfassungseinrichtung ausgestattete Sauerstoffkonzentrations-Erfassungseinrichtung;
Fig. 7 eine Charakteristik, die einen Ionenstrom in Abhängigkeit von einer angelegten Spannung angibt;
Fig. 8 andere Charakteristiken, die einen Ionenstrom in Abhängigkeit von einer angelegten Spannung angeben;
Figuren 9 und 10 jeweils eine perspektivische, in Einzelteile aufgelöste Darstellung eines Sauerstoffsensors gemäß noch einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Fig. 1 zeigt eine perspektivische, in Einzelteile aufgelöste Darstellung eines Sauerstoffsensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Dieser Sensor besteht aus einer sauerstoffionenleitenden Festkörper-Elektrolytplatte 1 mit zwei positiven Elektroden 21a und 22a und zwei negativen Elektroden 21b und 22b, einer Dichtungsplatte 3 mit zwei Fenstern 41 und 42 und einem Abstandshalter 5.
Die beiden positiven Elektroden 21a und 22a und die beiden negativen Elektroden 21b und 22b sind jeweils eng anhaftend an den gegenüberliegenden Oberflächen der Festkörper-Elektrolytplatte 1 gebildet. Die positiven Elektroden 21a und 22a liegen den negativen Elektroden 21b und 22b jeweils gegenüber. Die Festkörper-Elektrolytplatte 1 ist an ihrem Rand über eine Einrichtung des Abstandshalters 5 mit der Dichtungsplatte 3 luftdicht verbunden. Der Abstandshalter 5 umgibt die negativen Elektroden 21b und 22b getrennt voneinander. Zwei geschlossene Zwischenräume 61 und 62 werden als Zwischenräume festgelegt, die von der Festkörper- Elektrolytplatte 1, der Dichtungsplatte 3 und dem Abstandshalter 5 umgeben sind. Die beiden Fenster 41 und 42 sind in der Dichtungsplatte 3 in einer derartigen Weise gebildet, daß die beiden geschlossenen Zwischenräume 61 und 62 über die beiden Fenster 41 bzw. 42 mit dem Außenraum in Verbindung stehen können. Somit besteht ein erstes Sensorelement aus der positiven Elektrode 21a, der negativen Elektrode 21b, dem Fenster 41 und dem geschlossenen Zwischenraum 61. Ein zweites Sensorelement besteht aus der positiven Elektrode 22a, der negativen Elektrode 22b, dem Fenster 42 und dem geschlossenen Zwischenraum 62. Das gleiche gilt auch für den Fall, bei dem die beiden Fenster 41 und 42 in der Dichtungsplatte 3 durch zwei Fenster 41 und 42 ersetzt werden, die in der Festkörper-Elektrolytplatte 1 gebildet sind. Wie aus der vorstehenden Beschreibung deutlich wird, besitzt der Sauerstoffsensor der vorliegenden Erfindung den Aufbau, bei dem eine Vielzahl von Sensorelementen auf einer Festkörper-Elektrolytplatte 1 integriert ist.
Fig. 2 zeigt eine perspektivische, in Einzelteile aufgelöste Darstellung eines Sauerstoffsensors gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei diesem Sensor wird eine Dichtungsplatte 3 mit einer Dichtestruktur verwendet, die nicht mit den beiden Fenstern 41 und 42, wie in Fig. 1 gezeigt, ausgestattet ist. Ein Abstandshalter 7 mit dem Aufbau, daß er mit dem Außenraum in Verbindung treten kann (d.h., ein Verbindungsabstandshalter 7) wird ebenso anstelle des Abstandshalters 5 verwendet, dessen Dichtestruktur in Fig. 1 gezeigt ist. Der Verbindungsabstandshalter 7 besitzt zwei spiralförmige Diffusionspfade 71 und 72 mit offenen Enden 71b bzw. 72b und inneren Enden 71a bzw. 72a. Die beiden Spiraldiffusionspfade entsprechen den beiden, in Fig. 1 gezeigten, Fenstern 41 und 42. Die Festkörper-Elektrolytplatte 1 ist mit der Dichtungsplatte 3 mit der Dichtestruktur luftdicht verbunden. Der Verbindungsabstandshalter 7 umgibt die negativen Elektroden 21b und 22b getrennt voneinander. In der gleichen Weise sind zwei geschlossene Zwischenräume 61 und 62 festgelegt, wie in Fig. 1 gezeigt. Als Folge werden ein erstes und zweites Sensorelement auch in der gleichen Weise festgelegt, wie in Fig. 1 gezeigt.
Der in Fig. 2 gezeigte Sauerstoffsensor ist aus den nachstehenden Gründen vorteilhafter als der in Fig. 1 gezeigte Sauerstoffsensor: Beim letzteren müssen die Fenster 41 und 42 mit einem Feinmaß von mehreren zehn Mikrometern im Durchmesser und 0,5 bis 2 mm in der Länge in der Dichtungsplatte 3 gebildet werden, die aus Keramik, wie etwa Mullit, hergestellt ist. Beim ersteren jedoch ist es nicht erforderlich, den fensterähnlichen Diffusionspfad mit einem derartigen Feinmaß in der Keramikplatte zu bilden, und es genügt, die Spiraldiffusionspfade 71 und 72 mit einem größeren Maß von 0,4 bis 0,8 mm in der Breite, mehreren zehn Mikrometern in der Höhe und ungefähr 10 bis 20 mm der Länge zu bilden, sodaß der Diffusionspfad unter Verwendung eines Dickglasfilms leicht gebildet werden kann. Die zugehörigen Techniken sind im US-Patent Nr. 4 808 293 genau dargestellt.
Da der in Fig. 1 gezeigte Sauerstoffsensor und der in Fig. 2 gezeigte Sauerstoffsensor in ähnlicher Weise funktionieren, wird das folgende in Bezug auf den in Fig. 1 gezeigten Sauerstoffsensor beschrieben.
Typische Materialien und Dimensionen seiner Komponenten sind wie nachfolgend beschrieben: Zr&sub2;O&sub3; Keramik mit einer Fläche von 10 mm² und 0,5 bis 1 mm Dicke, dotiert mit 8 mol % Y&sub2;O&sub3;, wird als die Festkörper-Elektrolytplatte 1 verwendet. Eingebrannte Platin-Dickfilme werden als die positiven Elektroden 21a und 22a und die negativen Elektroden 21b und 22b verwendet. Die Platin- Dickfilmelektroden können typischerweise jeweils 5 bis 15 um dick sein. Ein rückseitig verstärkter Dickglasfilm wird als der Abstandshalter 5 verwendet. Der Dickglasfilm kann typischerweise 20 bis 40 um dick sein. Ein keramisches Material, wie etwa Forsterit oder Zr&sub2;O&sub3;, mit 10 mm Durchmesser und 0,5 bis 1 mm Dicke wird als die Dichtungsplatte 3 verwendet. Die Fenster 41 und 42 können jeweils einen Durchmesser von 20 bis 40 pm und eine Länge von 0,5 bis 1 mm aufweisen.
Wenn der Sensor betrieben wird, wird er auf einer hohen Temperatur von 400 bis 550ºC gehalten und eine Gleichspannungs-(DC)- Quelle ist mit den positiven Elektroden 21a und 22a und den negativen Elektroden 21b und 22b verbunden. Sauerstoffmoleküle durchqueren die Fenster 41 und 42 mittels Diffusion und werden somit vom Außenraum zu den geschlossenen Zwischenräumen 61 und 62 transportiert. Die derart transportierten Sauerstoffmoleküle werden auf den negativen Elektroden 21b und 22b alle ionisiert und die Sauerstoffionen durchqueren die Festkörper-Elektrolytplatte 1 von den negativen Elektroden 21b und 22b aus, um die positiven Elektroden 21a und 22a zu erreichen. Die Sauerstoffionen verwandeln sich auf den positiven Elektroden 21a und 22a in Sauerstoffmoleküle und werden dann in den Außenraum freigesetzt. Bei diesem Betriebsfall kann die Festkörper-Elektrolytplatte 1 die Sauerstoffmoleküle in einer Menge freisetzen, die größer ist als die Menge der Moleküle, die vom Außenraum in die geschlossenen Zwischenräume 61 und 62 transportiert wird. Andererseits hängt die Menge der dahin transportierten Sauerstoffmoleküle vom Diffusionswiderstand der Fenster 41 und 42 und der Sauerstoffkonzentration im Außenraum ab. Als Folge, da die Festkörper- Elektrolytplatte 1 alle transportierten Sauerstoffmoleküle freisetzt, entspricht der zu dieser Zeit vorhandene Sauerstoffionenstrom (Grenzstrom) solange der Sauerstoffkonzentration, wie der Diffusionswiderstand konstant ist.
Da der in Fig. 1 gezeigte Sauerstoffsensor den Aufbau besitzt, bei dem zwei Sensorelemente auf einer Festkörper-Elektrolytplatte 1 integriert sind, können dort zwei Grenzströme erhalten werden. Fig. 3 zeigt eine typische Abhängigkeit der Sauerstoffkonzentration von den beiden Grenzströmen. Durchgezogene Linien I&sub1; und I&sub2; entsprechen den Charakteristiken des ersten bzw. zweiten Sensorelements. Die Grenzströme können durch die folgenden Ausdrücke dargestellt werden:
I&sub1; = (K&sub1;T&sub1;n/Rd1)1n[1/(1-x)]
I&sub2; = (K&sub2;T&sub2;n/Rd2)1n[1/(1-x)]
wobei T&sub1; und Rd1, und T&sub2; und Rd2 eine Betriebstemperatur und einen Diffusionswiderstand des ersten bzw. zweiten Sensorelements darstellen; x eine Sauerstoffkonzentration im Außenraum darstellt; K&sub1; und K&sub2; Konstanten darstellen, und K&sub1; = K&sub2; gilt, falls T&sub1; = T&sub2; ist; und n eine Konstante von ungefähr 0,75 darstellt. Die Betriebstemperatur wird durch die elektrische Heizung eines Spulenheizers, der aus einem in der Nähe des Sensors gebildeten Metalldraht besteht, oder eines auf der Dichtungsplatte 3 gebildeten Filmheizers erzeugt. Da das erste und zweite Sensorelement auf einer Festkörper-Elektrolytplatte 1 in sehr enger Anordnung integriert sind, sind die Betriebstemperaturen T&sub1; und T&sub2; im wesentlichen gleich. Somit kann beim Sauerstoffsensor der vorliegenden Erfindung die Beziehung K&sub1; = K&sub2; im wesentlichen erfüllt werden. In diesem Fall rührt die Differenz zwischen den Diffusionswiderständen Rd1 und Rd2 vom Unterschied der Formen der Fenster 41 und 42, und ergibt folgerichtig eine Differenz zwischen I&sub1; und I&sub2;.
Wenn das Fenster 41 einmal mit Staub oder dergleich, wie etwa feine Oxidteilchen, teilweise verschlossen wurde, wird es für die Sauerstoffmoleküle im Außenraum schwierig, in den geschlossenen Zwischenraum 61 einzudringen, und somit steigt der Diffusionswiderstand Rd1. Als Folge nimmt I&sub1; proportional zu 1/Rd1 ab. Wenn in einem Experiment das Fenster 41 mit einem dünnen Metalldraht von ungefähr 10 um Durchmesser teilweise verschlossen wurde, nahm der Grenzstrom des ersten Sensorelements vom anfänglichen Strom I&sub1; zu einem niedrigeren Strom I1c ab, wie in Fig. 3 durch eine punktierte Linie I1c gezeigt. Da andererseits das Fenster 42 nicht verschlossen wird, bleibt der Grenzstrom des zweiten Sensorelements unverändert beim anfänglichen Grenzstrom I&sub2;. Da sich folgerichtig die gegenseitige Beziehung zwischen I&sub1; und I&sub2; verändert, kann diese Änderung erfaßt werden, um den Verschluß des Fensters 41 zu erfassen. Die gleichen Ergebnisse können ebenfalls erhalten werden, wenn das Fenster 42 teilweise verschlossen ist und das Fenster 41 nicht verschlossen ist. Falls der Abstandshalter 5 am äußeren Umfang des geschlossenen Zwischenraums 61 feine Risse besitzt, können die Sauerstoffmoleküle im Außenraum nicht nur über das Fenster 41 in den geschlossenen Zwischenraum 61 eindringen, sondern auch über den geschlitzten Abschnitt, sodaß der wirksame Diffusionswiderstand Rd1 abnimmt. Bei einem derartigen Fall ist eine Bestätigung auf experimentellen Weg schwierig. Es ist jedoch offensichtlich, daß der Einfluß von Staub oder dergleichen, oder feinen Rissen auf der Grundlage der Änderungen bei der gegenseitigen Beziehung zwischen I&sub1; und I&sub2; erfaßt werden kann.
Wenn die vorstehenden Änderungen bei der gegenseitigen Beziehung erfaßt werden, wird eine Erfassung von Änderungen eines Verhältnisses von I&sub1;/I&sub2; bevorzugt. Das Verhältnis I&sub1;/I&sub2; kann durch den folgenden Ausdruck unter der Bedingung, daß T&sub1; ungefähr gleich T&sub2; ist, dargestellt werden:
I&sub1;/I&sub2; = Rd2/Rd1
Da das Verhältnis I&sub1;/I&sub2; nicht von der Sauerstoffkonzentration abhängt, können die Änderungen von Rd1 oder Rd2 sogar bei verschiedenen Sauerstöffkonzentrationen leicht erfaßt werden. Wie in Fig. 4 gezeigt, sollte eine Einrichtung zum Erfassen des Verhältnisses I&sub1;/I&sub2; vorzugsweise mit Gleichspannungs-(DC)-Quelleneinrichtungen E&sub1; und E&sub2;, Widerstandseinrichtungen R&sub1; und R&sub2;, einer Spannungsverhältnis-Erfassungseinrichtung 90 und einer Vergleichseinrichtung 91 ausgestattet sein. Die Gleichspannungs- (DC)-Quelleneinrichtungen E&sub1; und E&sub2; und die Widerstandseinrichtungen R&sub1; und R&sub2; sind mit dem ersten bzw. zweiten Sensorelement in Reihe geschaltet. Wenn die beiden Grenzströme I&sub1; und I&sub2; in den Widerstandseinrichtungen R&sub1; bzw. R&sub2; fließen, werden zwei Signalspannungen Vs1 und Vs2 erhalten. Die beiden Signalspannungen Vs1 und Vs2 werden getrennt in die Spannungsverhältnis-Erfassungseinrichtung 90 eingegeben. Schließlich wird die Ausgabe der Spannungsverhältnis-Erfassungseinrichtung 90 in die Vergleichseinrichtung 91 eingegeben.
Fig. 5 zeigt ein Flußdiagramm des Betriebs dieser Erfassungseinrichtung. Zuerst werden die Signalspannungen Vs1 und Vs2 gemessen. Die gemessenen Werte werden in die Spannungsverhältnis-Erfassungseinrichtung 90 eingegeben, in der ein Verhältnis Vs1/Vs2 erfaßt wird. Als nächstes wird das Verhältnis Vs1/Vs2 in die Vergleichseinrichtung 91 eingegeben und mit einem gegebenen Wert H verglichen. Wenn das Verhältnis Vs1/Vs2 größer oder kleiner als der gegebene Wert H ist, wird ein Alarm gegeben. Andernfalls wird das vorstehende Verfahren fortgesetzt, wenn das Verhältnis Vs1/Vs2 im wesentlichen gleich dem gegebenen Wert H ist.
Diese Erfassungseinrichtung hat jedoch den Nachteil, daß die Widerstandswerte Rd1 und Rd2 bei jeder Abfrage streuen können und somit das Verhältnis Vs1/Vs2 bei jeder Abfrage ebenfalls verschieden sein kann. Die Diffusionswiderstände Rd1 und Rd2 können um mehrere zehn Prozent streuen. Somit kann das Verhältnis Vs1/Vs2 ebenfalls im wesentlichen im gleichen Ausmaß streuen. Das zeigt an, daß der gegebene Wert H für jeden aus einer Anzahl von Sensoren einzeln bestimmt werden muß, wenn Sauerstoffsensoren dieses Typs hergestellt wurden. Ein derartiges Verfahren, das komplizierte Vorgänge und viel Zeit erfordert, ist nicht vorzuziehen. Um einen derartigen Nachteil zu beseitigen, sollten die Widerstände R&sub1; und R&sub2; vorzugsweise gesteuert werden, damit die Gleichung Vs1 = Vs2 = Vs (der gegebene Wert) erfüllt ist. Der gegebene Wert H kann dadurch gleich Eins sein, selbst wenn eine Streuung der Diffusionswiderstände Rd1 und Rd2 vorliegt. Das zeigt an, daß eine Bestimmung des gegebenen Werts H für jede Abfrage überflüssig ist. Die Widerstände R&sub1; und R&sub2; können unter Verwendung eines veränderlichen Widerstands leicht gesteuert werden.
Wie in Fig. 6 gezeigt, ist es besser, dem in Fig. 5 gezeigten Aufbau eine Gesamtspannungs-Erfassungseinrichtung 92 hinzuzufügen. Natürlich sind die jeweiligen Signalspannungen Vs1 (= Vs) und Vs2 (= Vs) Signale, die der Sauerstoffkonzentration entsprechen. Somit ist eine Gesamtsignalspannung Vs1 + Vs2 (= 2Vs) ebenfalls ein der Sauerstoffkonzentration entsprechendes Signal. Die Empfindlichkeit der Gesamtsignalspannung 2Vs ist jedoch zweimal so groß wie die Empfindlichkeit der einzelnen Signalspannung Vs.
Die Erfassung einer Verunreinigung der negativen Elektroden 21b und 22b wird im folgenden beschrieben.
Fig. 7 zeigt typische Spannungs-Strom-Charakteristiken des ersten und zweiten Sensorelements mit voneinander verschiedenen Grenzströmen. Die Betriebstemperatur beträgt 520ºC und die Sauerstoffkonzentration ungefähr 20,6 %. Eine an die positiven Elektroden 21a und 22a und die negativen Elektroden 21b und 22b angelegte Meßspannung beträgt ungefähr 1,4 V. Die negativen Elektroden 21b und 22b haben im wesentlichen die gleiche Fläche wie die positiven Elektroden 21a und 22a. Eine dünne durchgezogene Linie Ii zeigt anfängliche Spannungs-Strom-Charakteristiken des ersten und zweiten Sensorelements in einem Bereich hoher Sauerstoffkonzentration von 20,6 % oder mehr. Obwohl die Festkörper-Elektrolytplatte 1 mit den positiven Elektroden 21a und 22a und den negativen Elektroden 21b und 22b bei einer angelegten Spannung von 1,4 V eine große Menge von Sauerstoffionen transportieren kann, ist die Menge von Sauerstoffmolekülen, die vom Außenraum in die geschlossenen Zwischenräume 61 und 62 diffundieren, sehr klein. Als Folge können Grenzströme I&sub1; und I&sub2;, die mittels dicker durchgezogener Linien I&sub1; und I&sub2; in Fig. 7 gezeigt sind, gemessen werden. Die Grenzströme I&sub1; und I&sub2; hängen vom Diffusionswiderstand Rd1 und Rd2 an den Fenstern 41 bzw. 42 ab.
Ein ionenleitender Bereich ist als ein Bereich festgelegt, in dem Ionenströme von angelegten Spannungen abhängen. Ein Grenzstrombereich ist als ein Bereich festgelegt, bei dem Ionenströme nicht von angelegten Spannungen abhängen und es wird ein konstanter Stromwert beibehalten. Eine Übergangsspannung Vc ist als eine Spannung festgelegt, bei der ein Übergang vom ionenleitenden Bereich in den Grenzstrombereich erfolgt. Die Übergangsspannung Vc wird bei einem Anstieg des Grenzstroms größer. Eine Übergangsspannung Vc1 des ersten Sensorelements ist niedriger als eine Übergangsspannung Vc2 des zweiten Sensorelements. Wenn andererseits die negativen Elektroden 21b und 22b wegen einer Anhaftung von Staub, feinem Oxid oder dergleichen einmal verunreinigt wurden, kann die Festkörper-Elektrolytplatte 1 mit den positiven Elektroden 21a und 22a und den negativen Elektroden 21b und 22b nicht länger Sauerstoffionen in einer derart großen Menge wie die anfängliche Transportmenge transportieren, sodaß sich die Spannungs-Strom-Charakteristiken von den anfänglichen Charakteristiken Ii zu den Charakteristiken bei Verunreinigung Id verändern, wie durch eine dünne durchgezogene Linie Id gezeigt. Als Folge steigen die Übergangsspannungen Vc1 und Vc2 auf Vcd1 bzw. Vcd2.
Da die Meßspannung Vs auf eine höhere Spannung als Vc2 in der anfänglichen Stufe gesetzt wird, verändern sich die gegenseitigen Beziehungen zwischen Vs, Vcd1 und Vcd2 bei zunehmender Verunreinigung der negativen Elektroden 21b und 22b notwendigerweise in der folgenden Reihenfolge. Das heißt, es ergeben sich folgende Beziehungen: Vs > Vcd2 (= Vc2) > Vcd1 (= Vc2) bei der Anfangsstufe, Vcd2 > Vs > Vcd1 bei der Zwischenstufe und Vcd2 > Vcd1 > Vs bei der Endstufe. Wenn einmal die Übergangsspannung Vc2 bei der mittleren Verunreinigung zum ersten Mal höher als die Meßspannung Vs (= 1,4 V) geworden ist, kann das zweite Sensorelement den Grenzstrom 12 nicht länger beibehalten. Da andererseits in diesem Augenblick Vs größer als Vcd1 ist, behält das erste Sensorelement den Grenzstrom I&sub1; bei. Aus diesen Tatsachen wird ersichtlich, daß sich die gegenseitige Beziehung zwischen I&sub1; und I&sub2; ändert, wenn Vcd2 größer als Vs wird. Es ist klar, daß die Verunreinigung der negativen Elektroden 21b und 22b, die zu Vcd2 > Vs führen kann, auf der Grundlage der Logik erfaßt werden kann, wie zuvor im Hinblick auf die Erfassung von Staub oder dergleichen und feinen Rissen dargelegt.
Im Falle, wenn die negative Elektrode 21b eine größere Fläche als die negative Elektrode 22b besitzt, kann die Verunreinigung auf der Grundlage der gleichen Logik erfaßt werden. Fig. 8 zeigt typische anfängliche Spannungs-Strom-Charakteristiken des ersten und zweiten Sensorelements. Dünne durchgezogene Linien Ii1 und Ii2 bezeichnen typische anfängliche Spannungs-Strom-Charakteristiken des ersten und zweiten Sensorelements in einem Bereich mit hoher Sauerstoffkonzentration von 20,6 % oder mehr. Da die negative Elektrode 21b eine größere Fläche als die negative Elektrode 22b besitzt, ist Ii1 immer größer als Ii2 Dicke durchgezogene Linien I&sub1; und I&sub2; bezeichnen Grenzströme des ersten bzw. zweiten Sensorelements an. Die Meßspannung Vs wird so eingestellt, daß Vs > Vc2 erfüllt ist. Da Vc1 niedriger ist als Vc2, ist es offensichtlich, daß die Verunreinigung der negativen Elektroden 22b auf der Grundlage der gleichen Logik erfaßt werden kann, wie in Bezug auf Fig. 7 dargelegt.
Um die Verunreinigung der negativen Elektrode 21b oder 22b zu erfassen, ist es wichtig, daß die Übergangsspannungen Vc1 und Vc2 voneinander verschieden sind und daß die Meßspannung Vs größer ist als die größte Übergangsspannung aus Vc1 und Vc2.
Es ist offensichtlich, daß die positiven Elektroden 21a und 22a anstelle davon aus einer einzigen Elektrode bestehen können, und die negativen Elektroden 21b und 22b getrennt gebildet werden können oder umgekehrt nicht getrennt gebildet zu werden brauchen. In den Figuren 4 und 6 wurden Beispiele gegeben, bei denen eine Vielzahl von Gleichspannungs-(DC)-Quellen E&sub1; und E&sub2; verwendet werden. Falls die Widerstände R&sub1; und R&sub2; klein sind, kann der Spannungsabfall (Signalspannungen) an beiden Enden dieser Widerstände R&sub1; und R&sub2; genügend kleiner gemacht werden als die Spannungen E&sub1; und E&sub2;. Somit wäre es offensichtlich, daß eine einzige Gleichspannungs-(DC)-Quelle verwendet werden kann. Obwohl die Erfindung hierin unter Vorgabe der Sensorstruktur beschrieben wurde, bei der zwei Sensorelemente auf einer Festkörper-Elektrolytplatte 1 integriert sirid, ist es zusätzlich noch mehr vorzuziehen, daß eine größere Anzahl von Sensorelementen integriert wird, wie in den Figuren 9 und 10 gezeigt. Der Grund dafür ist, daß zwischen einer größeren Anzahl von Grenzströmen mehr gegenseitige Beziehungen verwendet werden können.

Claims

1. Sauerstoffkonzentrations-Erfassungseinrichtung, mit:

einer sauerstoffionenleitenden Festkörper-Elektrolytplatte (1) mit ersten und zweiten gegenüberliegenden Oberflächen,

zumindest einer negativen Elektrode (21b, 22b; 21b, 22b, 23b), die auf der ersten Oberfläche der Festkörper-Elektrolytplatte (1) gebildet ist,

zumindest einer positiven Elektrode (21a, 22a; 2a), die auf der zweiten Oberfläche der Festkörper-Elektrolytplatte (1) an den Positionen gebildet ist, die der zumindest einen negativen Elektrode (21b, 22b; 21b, 22b, 23b) jeweils gegenüberliegen,

einem Abstandshalter (5), der mit der ersten Oberfläche der Elektrolytplatte (1) luftdicht verbunden ist und in einer derartigen Weise angeordnet ist, daß er jede der zumindest einen negativen Elektrode (21b, 22b; 21b, 22b, 23b) umgibt,

Einer Dichtungsplatte (3), die mit dem Abstandshalter (5) luftdicht verbunden ist,

gekennzeichnet durch

eine Vielzahl von geschlossenen Zwischenräumen (61, 62; 61, 62, 63), die durch die erste Oberfläche der Festkörper-Elektrolytplatte (1), den Abstandshalter (5) und die Dichtungsplatte (3) festgelegt sind, und wobei die geschlossenen Zwischenräume (61, 62; 61, 62, 63) in einer derartigen Weise gebildet sind, daß jeder aus der Vielzahl von geschlossenen Zwischenräumen eine aus einer Vielzahl von negativen Elektroden (21b, 22b; 21b, 22b, 23b) enthält,

eine Vielzahl von Fenstern (41, 42; 41, 42, 43), die derart gebildet sind, daß in einem Außenraum vorhandene Sauerstoffmoleküle in jeden aus der Vielzahl von geschlossenen Zwischenräumen (61, 62; 61, 62, 63) eindringen können, und

eine Vielzahl von Erfassungseinrichtungen (E1, E&sub2;, R1, R2, 90, 91, 92) zum Erfassen von Sauerstoffionenströmen, die durch eine Vielzahl von Elektrodenpaaren fließen, die aus der Vielzahl von negativen Elektroden (21b, 22b; 21b, 22b, 23b) und aus einer Vielzahl von positiven Elektroden (21a, 22a; 2a) bestehen, um eine Verunreinigung zu erfassen, mit:

einer Vielzahl von Gleichspannungs-(DC)-Quellen (E1, E2),

einer Vielzahl von Widerstandseinrichtungen (R1, R2), wobei jede aus der Vielzahl von Gleichspannungs-(DC)-Quellen (E1, E2) und jede aus der Vielzahl von Widerstandseinrichtungen (R1, R2) mit jeder aus der Vielzahl von negativen Elektroden (21b, 22b; 21b, 22b, 23b) und aus der Vielzahl von positiven Elektroden (21a, 22a; 2a) in Reihe geschaltet ist, und wobei Spannungen an beiden Enden von jeder aus der Vielzahl von Widerstandseinrichtungen (R1, R2) Signalspannungen sind, die Sauerstoffkonzentrationen entsprechen,

einer Spannungsverhältnis-Erfassungseinrichtung (90) zum Erfassen des Verhältnisses von zwei voneinander verschiedenen Signalspannungen unter einer Vielzahl von Signalspannungen, und einer Vergleichseinrichtung (91) zum Vergleichen des Signalspannungsverhältnisses mit einem gegebenen Wert.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vielzahl von Fenstern (41, 42; 41, 42, 43) aus einer Vielzahl von kleinen, in der Dichtungsplatte (3) gebildeten, Öffnungen besteht, und jede aus der Vielzahl von kleinen Öffnungen mit jedem aus der Vielzahl von geschlossenen Zwischenräumen (61, 62; 61, 62, 63) verbunden ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vielzahl von Fenstern (41, 42; 41, 42, 43) aus einer Vielzahl von kleinen, in der Festkörper-Elektrolytplatte (1) gebildeten, Öffnungen besteht, und jede aus der Vielzahl von kleinen Öffnungen mit jedem aus der Vielzahl von geschlossenen Zwischenräumen (61, 62; 61, 62, 63) verbunden ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vielzahl von Fenstern (41, 42; 41, 42, 43) aus einer Vielzahl von Diffusionspfaden (71, 72; 51, 52, 53) besteht, die in dem Abstandshalter (5) gebildet sind, und jeder aus der Vielzahl von Diffusionspfaden (71, 72; 51, 52, 53) ein offenes Ende (71b, 72b; 51b, 52b, 53b) besitzt, das mit dem Außenraum verbunden ist, und ein inneres Ende (71a, 72a; 51a, 52a, 53a), das mit jedem aus der Vielzahl von geschlossenen Zwischenräumen (61, 62; 61, 62, 63) verbunden ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Widerständen (R1, R2) jeweils in einer derartigen Weise bestimmt ist, daß alle aus der Vielzahl von Signalspannungen den gleichen gegebenen Wert besitzen.

6. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassungseinrichtung (90) mit einer Gesamtspannungs-Erfassungseinrichtung (92) zum Erfassen eines Teils oder aller aus der Vielzahl von Signalspannungen ausgestattet ist.