DE69713698T2

DE69713698T2 - Gasfühler

Info

Publication number: DE69713698T2
Application number: DE69713698T
Authority: DE
Inventors: Nobuhide Kato; Kunihiko Nakagaki
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1996-09-19
Filing date: 1997-09-19
Publication date: 2003-02-13
Anticipated expiration: 2017-09-20
Also published as: JP3544437B2; EP0831322A3; US6045673A; EP0831322B1; DE69713698D1; EP0831322A2; JPH1090222A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gassensor zur Messung von Oxiden wie z. B. NO, NO&sub2;, SO&sub2;, CO&sub2; und H&sub2;O und entflammbaren Gasen wie z. B. CO und CnHm, die z. B. in Atmosphärenluft und Abgasen enthalten sind, die aus Fahrzeugen oder Automobilen ausgestoßen werden.

Beschreibung verwandter Gebiete

Es wurden bislang verschiedene Messsysteme und -vorrichtungen vorgeschlagen, um die Konzentration einer in einem Messgas enthaltenen Gaskomponente zu ermitteln.
Bekannte Verfahren zur Messung von NOx im Messgas wie z. B. Verbrennungsgas sind z. B. eine Technik, die auf der Nutzung der NOx-Reduktionsfähigkeit von Rh beruht, worin ein Sensor, der eine Pt-Elektrode und eine Rh-Elektrode aus Sauerstoffionenleitendem Trockenelektrolyten wie z. B. Zirconiumoxid umfasst, dazu dient, eine elektromotorische Kraft zu messen, die zwischen den beiden Elektroden entsteht.
Dieser Sensor ist insofern mit Problemen verbunden, als die elektromotorische Kraft je nach Veränderung der Konzentration des im Verbrennungsgas (dem Messgas) enthaltenen Sauerstoff stark variiert und die Veränderung der elektromotorischen Kraft im Vergleich zur Konzentrationsvariation von NOx gering ist, wodurch der Sensor zumeist durch Signal-Rauschen beeinflusst wird.
Um die NOx-Reduktionsfähigkeit hervorzurufen, ist es unabdingbar, ein reduzierendes Gas wie z. B. CO zu verwenden. In einem Verbrennungszustand mit magerem Treibstoff, in dem eine große Menge an NOx produziert wird, ist im Allgemeinen die Menge an erzeugtem CO kleiner als die Menge an erzeugtem NOx. Daher weisen herkömmliche Gassensoren den Nachteil auf, dass sie keine Messung für ein Verbrennungsgas durchführen können, das unter dem oben beschriebenen Verbrennungszustand entsteht.
JP-A-63-38154 und 64-39545 offenbaren ein System, in dem eine Gruppe elektrochemischer Pumpzellen und Sensorzellen, umfassend Pt-Elektroden und Sauerstoffionen-leitenden Trockenelektrolyten, und eine weitere Gruppe elektrochemischer Pumpzellen und Sensorzellen, umfassend Rh-Elektroden und Sauerstoffionen-leitenden Trockenelektrolyten, kombiniert werden, um NOx auf der Basis der Differenz der jeweiligen Pumpstromwerte zu messen.
JP-A-1-277751 und 2-1543 offenbaren ein Verfahren, in dem zwei Gruppen, d. h. zwei Paare elektrochemischer Pumpzellen und Sensorzellen hergestellt werden. Ein Sensor, der eine Gruppe Pumpzellen und Sensorzellen umfasst, dient zur Messung eines Begrenzungspumpstroms bei Sauerstoff-Partialdruck, bei dem NOx nicht reduziert wird. Ein Sensor, der die andere Gruppe Pumpzellen und Sensorzellen umfasst, dient zur Messung eines Begrenzungspumpstroms bei Sauerstoff-Partialdruck, bei dem NOx reduziert wird. Die Differenz zwischen den gemessenen Begrenzungsströmen wird gemessen. Alternativ dazu wird ein Verfahren vorgeschlagen, in dem die Differenz im Begrenzungsstrom durch Einsatz eines eine Gruppe Pumpzellen und Sensorzellen umfassenden Sensors gemessen wird, während der Sauerstoff-Partialdruck im Messgas zwischen dem Sauerstoff-Partialdruck, bei dem NOx reduziert wird, und dem Sauerstoff- Partialdruck, bei dem NOx nicht reduziert wird, hin- und hergeschaltet wird.
In diesen Systemen zur Messung von NOx entfällt jedoch der größere Teil des Werts des Begrenzungsstroms auf einen Strom, der durch Sauerstoff entsteht, der in großer Menge vorhanden ist; der auf NOx basierende Strom auf den die Messung gerichtet wird, ist üblicherweise extrem klein. Daher wird ein kleiner Strom, der dem NOx entspricht anhand der Differenz zwischen den zwei großen Stromwerten bestimmt. Das Messsystem; das während der Verwendung einer Sensorgruppe hin- und herschaltet, führt daher in manchen Fällen erfolglose Dauermessungen durch. Außerdem ist die Reaktionsfähigkeit eines derartigen Sysems sowie seine Präzision mangelhaft.
Das System, in dem zwei Sensorgruppen verwendet werden, weist häufig Messwertfehler auf, wenn die Sauerstoffkonzentration im Messgas stark variiert. Ein derartiges System kann in einigen Fällen nicht verwendet werden, z. B. für Automobile, in denen die Sauerstoffkonzentration im Messgas stark variiert. Dieser Nachteil ergibt sich aus dem Umstand, dass sich die Abhängigkeit von der Sauerstoffkonzentration des Pumpstroms eines Sensors von der Abhängigkeit der Sauerstoffkonzentration des Pumpstroms des anderen Sensors wechselseitig unterscheidet.
Im Fall eines Automobils z. B. liegt die Sauerstoffkonzentration im Abgas mehrere Prozentpunkte unter dem Antriebszustand eines Luft-Treibstoff-Gemisches von 20, während die NOx-Konzentration mehrere Hundert ppm beträgt. Daher besitzt NOx eine Konzentration von etwa 1/100 von jener von Sauerstoff. Nur wenn sich in diesem Fall die Abhängigkeit von der Sauerstoffkonzentration des Pumpstroms geringfügig ändert, steigt die Differenz des Begrenzungsstromwerts in Bezug auf die Änderung der Sauerstoffkonzentration über das Ausmaß der Veränderung des Begrenzungsstroms, die durch das zu messende NOx verursacht wird.
Außerdem ist der oben beschriebene Sensor mit den folgenden Nachteilen verbunden: Wenn ein Diffusionsraten-Bestimmungsmittel für die Pumpzelle mit verbrannten Produkten des im Abgas enthaltenen Öls verstopft ist, tritt eine Änderung des Pumpstroms ein, und die Präzision verschlechtert sich. Wenn überdies die Temperatur des Abgases stark variiert, ergeben sich in den Messwerten Anomalien.
Das die zwei Sensorgruppen umfassende System ist mit den folgenden Nachteilen verbunden: Wenn Unterschiede zwischen chronologischen Veränderungen der jeweiligen Eigenschaften der Sensoren auftreten, führen genau diese Unterschiede zu Fehlern, und das System kann nicht mehr über lange Zeiträume verwendet werden.
Wie oben beschrieben, verursacht der im Messgas enthaltene Sauerstoff einige Probleme im Zusammenhang mit der NOx-Messung. Außerdem ergeben sich dadurch Probleme wie etwa die Abnahme der Messgenauigkeit, wenn andere Messgaskomponenten als NOx gemessen werden. Es wäre überaus wünschenswert, diese Probleme zu lösen.
Die Erfinder offenbarten in JP-A-8-271476 ein neues Messsystem, das auf der Verwendung einer ersten und zweiten in Serie angeordneten elektrochemischen Pumpzelle beruht, worin eine Messgaskomponente mit gebundenem Sauerstoff wie z. B. NOx im Messgas präzise, kontinuierlich, mit gutem Ansprechverhalten und über einen langen Zeitraum gemessen werden kann, ohne dass die Sauerstoffkonzentration oder deren Schwankungen Schwierigkeiten ergeben.
Das geoffenbarte Messsystem wird nun in Bezug auf den Meßvorgang erläutert. Zunächst wird in Messgas, das eine zu messende Gaskomponente mit gebundenem Sauerstoff enthält, hintereinander in eine erste und dann eine zweite Verarbeitungszone unter vorbestimmtem Diffusionswiderstand aus einem externen Messgasraum eingeleitet.
In der ersten Verarbeitungszone wird Sauerstoff in der Atmosphäre mittels der ersten elektrochemischen Pumpzelle hinausgepumpt. Somit wird der Wert des Sauerstoff- Partialdrucks, bei dem die Messung der Menge der zu bestimmenden Komponente nicht wesentlich beeinflusst wird, niedrig gehalten.
In der zweiten Verarbeitungszone wird die Messgaskomponente in der Atmosphäre, die aus der ersten Verarbeitungszone zugeführt wurde, reduziert oder abgebaut. Der während dieses Prozesses produzierte Sauerstoff wird mittels Sauerstoffpumpwirkung der zweiten elektrochemischen Zelle nach außen gepumpt.
Der durch die zweite elektrochemische Pumpzelle fließende Pumpstrom wird detektiert, um einen detektierten Wert zu erhalten, mit dem die Menge der zu bestimmenden Komponente im Messgas bestimmt wird.
Infolge weiterer Untersuchungen der geoffenbarten Messsystems stieß man auf die folgenden Probleme: Wenn die Sauerstoffkonzentration im Messgas erhöht wird, verändert sich der Partialdruck des Sauerstoffs in der Atmosphäre, der von der ersten Verarbeitungszone in die zweite Verarbeitungszone geleitet wird (er nimmt zu), obwohl die Sauerstoffkonzentration (der Partialdruck) in der Atmosphäre in der ersten Verarbeitungszone reguliert wird, indem die Pumpspannung der ersten elektrochemischen Pumpzelle eingestellt wird, so dass die für die erste Verarbeitungszone durch ein Sauerstoff-Partialdruck-Detektionsmittel (elektrochemische Sensorzelle) detektierte elektromotorische Kraft einen konstanten Wert besitzt.
Wenn die Sauerstoffkonzentration im Abgas zunimmt, steigt auch der Abbaustrom für NO in der zweiten Verarbeitungszone. Es besteht daher die Gefahr, dass die Verbesserung der Messgenauigkeit an ihre Grenzen stößt.
Dieses Phänomen hat die folgende Ursache. Sogar wenn die Sauerstoffkonzentration in der ersten Verarbeitungszone durch Einsatz der ersten elektrochemischen Pumpzelle in der ersten Verarbeitungszone konstant gehalten wird, verändert sich die Verteilung der Sauerstoffkonzentration in der ersten Verarbeitungszone sowie die Konzentration des in die zweite Verarbeitungszone eindringenden Sauerstoffs, wenn die Sauerstoffkonzentration im Abgas stark variiert, z. B. um 0 bis 20%.
Wenn demzufolge die Pumpleistung der ersten elektrochemischen Pumpzelle in der ersten Verarbeitungszone erhöht wird, kann die Konzentrationsschwankung des in die zweite Verarbeitungszone eindringenden Sauerstoffs reduziert werden. Eine solche Gegenmaßnahme ist jedoch mit verschiedenen Problemen verbunden.
Um die Pumpleistung zu steigern, eignet sich z. B. ein Verfahren zur Vergrößerung der Fläche der Pumpelektrode oder eines zur Erhöhung der Pumpentemperatur. Wenn allerdings die Fläche der Pumpenelektrode vergrößert wird, nimmt die Fläche (bzw. das Volumen) der ersten Verarbeitungszone unweigerlich zu. In der Folge besteht die Gefahr, dass das Ansprechverhalten beeinträchtigt wird. Wird die Betriebstemperatur der Pumpe erhöht, tritt häufig eine Reduktion der Messgaskomponente wie z. B. NOx oder der Abbau von NO auf der Pumpelektrode in der ersten Verarbeitungszone ein. Es besteht daher die Gefahr, dass die Empfindlichkeit von NO sinkt.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung wurde unter Berücksichtigung der obigen Überlegungen gemacht. Ein Ziel ist die Bereitstellung eines Gassensors, der es ermöglicht, Störungen der NO-Empfindlichkeit durch Veränderung der Sauerstoffkonzentration im Abgas zu vermeiden und die Messgenauigkeit für eine Messgaskomponente zu steigern; der Gassensor besitzt, wie vorstehend beschrieben, hervorragende Leistungsfähigkeit.
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gassensor zum Bestimmen einer Menge einer bestimmten Komponente in einem Messgas durch Reduzieren oder Abbauen der Komponente mit gebundenem Sauerstoff im Messgas und zum Messen einer Sauerstoffmenge, die während der Reduktion oder des Abbaus erzeugt wird, wobei der Gassensor umfasst: Substrate, die aus Trockenelektrolyten bestehen; einen ersten Diffusionsraten-Bestimmungsabschnitt zum Einleiten des Messgases unter einem vorbestimmten Diffusionswiderstand; einen ersten Innenraum zur Herstellung einer Verbindung mit einer Atmosphäre des Messgases über den ersten Diffusionsraten- Bestimmungsabschnitt; eine erste elektrochemische Pumpzelle, die den Trockenelektrolyten zur Ausbildung des ersten Innenraums und ein Paar erster Pumpelektroden umfasst, die in Kontakt mit diesem sind; eine erste elektrochemische Sensorzelle, die den Trockenelektrolyten zur Ausbildung des ersten Innenraums und ein Paar erster Messelektroden umfasst, die in Kontakt mit diesem sind; einen zweiten Diffusionsraten-Bestimmungsabschnitt, um das Gas, das so eingestellt ist, dass es eine vorbestimmte Sauerstoffkonzentration aufweist, unter einem vorbestimmten Diffusionswiderstand in den ersten Innenraum einzuleiten; einen zweiten Innenraum zur Herstellung einer Verbindung mit der Atmosphäre des Messgases über den zweiten Diffusionsraten-Bestimmungsabschnitt; eine zweite elektrochemische Pumpzelle, die den Trockenelektrolyten zur Ausbildung des zweiten Innenraums und ein Paar zweiter Pumpelektroden umfasst, die in Kontakt mit diesem sind; eine zweite elektrochemische Sensorzelle, die den Trockenelektrolyten zur Ausbildung des zweiten Innenraums oder und ein Paar zweiter Messelektroden umfasst, die in Kontakt mit diesem sind; einen dritten Diffusionsraten-Bestimmungsabschnitt, um das Gas, das so eingestellt ist, dass es eine vorbestimmte Sauerstoffkonzentration aufweist, unter einem vorbestimmten Diffusionswiderstand in den zweiten Innenraum einzuleiten; eine dritte elektrochemische Pumpzelle zum Herauspumpen von Sauerstoff, der durch die Reduktion oder den Abbau der Komponente mit gebundenem Sauerstoff im Messgas erzeugt wird, das über den dritten Diffusionsraten-Bestimmungsabschnitt eingeleitet wird; und ein Stromdetektionsmittel zum Detektieren eines Pumpstroms, der entsprechend dem Betrieb der dritten elektrochemischen Pumpzelle fließen kann.
Gemäß der Erfindung wird das Messgas zunächst in den ersten Innenraum unter einem vorbestimmten Diffusionswiderstand über den ersten Diffusionsraten- Bestimmungsabschnitt eingeleitet. Das in den ersten Innenraum eingeleitete Messgas wird mittels der Pumpwirkung der ersten elektrochemischen Pumpzelle so eingestellt, dass es eine vorbestimmte Sauerstoffkonzentration aufweist.
Das Gas, dessen vorbestimmte Sauerstoffkonzentration mittels der ersten elektrochemischen Pumpzelle eingestellt ist, wird unter dem vorbestimmten Diffusionswiderstand über den zweiten Diffusionsraten-Bestimmungsabschnitt in den zweiten Innenraum eingeleitet. Das in den zweiten Innenraum eingeleitete Gas wird mittels der Pumpwirkung der zweiten elektrochemischen Pumpzelle auf die vorbestimmte Sauerstoffkonzentration feineingestellt.
Das Gas, das mittels der zweiten elektrochemischen Pumpzelle feineingestellt wurde, um die vorbestimmte Sauerstoffkonzentration aufzuweisen, wird unter vorbestimmtem Diffusionswiderstand über den dritten Diffusionsraten-Bestimmungsabschnitt in die dritte elektrochemische Pumpzelle geleitet. Die dritte elektrochemische Pumpzelle führt den Vorgang solcherart aus, dass die Komponente mit gebundenem Sauerstoff im eingeleiteten Messgas reduziert oder abgebaut und der durch Reduktion oder Abbau erzeugte Sauerstoff hinausgepumpt wird.
Der Pumpstrom, der in Übereinstimmung mit dem Betrieb (Hinauspumpen des Sauerstoffs) der dritten eleketrochemischen Pumpzelle hinausfließen kann, wird durch das Stromdetektionsmittel detektiert. Die Menge der spezifizierten Komponente im Messgas wird auf der Basis des detektierten Werts bestimmt.
Wenn die Sauerstoffkonzentration während des oben angeführten Vorgangs im Messgas stark variiert (in einem Bereich von 0 bis 20%), verändert sich auch die Verteilung der Sauerstoffkonzentration im in den ersten Innenraum eingeleiteten Messgas beträchtlich, und auch die Menge des in den zweiten Innenraum eingeleiteten Sauerstoffs variiert.
Die Konzentration des in den zweiten Innenraum eingeleiteten Sauerstoffs wird durch die zweite elektrochemische Pumpzelle feineingestellt. Aufgrund der durch die erste elektrochemische Pumpzelle im ersten Innenraum durchgeführten Pumptätigkeit jedoch wird die Konzentrationsveränderung des in den zweiten Innenraum eingeleiteten Sauerstoffs im Vergleich zur Konzentrationsveränderung des Sauerstoffs im in den ersten Innenraum eingeleiteten Messgas stark eingeschränkt. Daher ist es möglich, die Sauerstoffkonzentration im zweiten Innenraum präzise zu regulieren, d. h. konstant zu halten.
In der Erfindung unterliegt die durch die zweite elektrochemische Pumpzelle durchgeführte Pumptätigkeit der Rückführungsregelung auf der Basis der Verwendung der zweiten elektrochemischen Sensorzelle für den zweiten Innenraum. Es ist somit möglich, die Sauerstoffkonzentration im zweiten Innenraum präziser zu regeln.
Wie oben beschrieben wird die Sauerstoffkonzentration im zweiten Innenraum präzise auf konstantem Wert gehalten. Demzufolge wird die Konzentration des in die dritte elektrochemische Pumpzelle eingeleiteten Sauerstoffs kaum durch die Schwankung der Sauerstoffkonzentration im in den ersten Innenraum eingeleiteten Messgas beeinflusst. In der Folge wird der Pumpstromwert, der durch das Stromdetektionsmittel in Einklang mit dem durch die dritte elektrochemische Pumpzelle durchgeführten Hinauspumpen des Sauerstoffs detektiert wird, durch die Konzentrationsschwankung des Sauerstoffs im Messgas nicht beeinflusst. Der Pumpstromwert ist ein Wert, der genau mit dem Wert der im Messgas vorliegenden, zu bestimmenden Komponente korrespondiert.
Der erfindungsgemäße Gassensor ermöglicht es, Beeinträchtigungen aufgrund der Konzentrationsschwankung des Sauerstoffs im Abgas der Detektionsfähigkeit der Menge der im Messgas vorhandenen, zu bestimmenden Komponente zu vermeiden. Es ist somit möglich, die Messgenauigkeit für die Messgaskomponente zu verbessern.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der erfindungsgemäße Gassensor außerdem einen dritten Innenraum, der über den dritten Diffusionsraten- Bestimmungsabschnitt mit der Atmosphäre des Messgases kommuniziert, worin die dritte elektrochemische Pumpzelle den Trockenelektrolyten zur Ausbildung des dritten Innenraums und ein damit in Kontakt stehendes Paar dritter Pumpelektroden umfasst.
In dieser Ausführungsform wird die Sauerstoffkonzentration im zweiten Innenraum auf konstantem Wert gehalten. Daher wird die Konzentration des in den dritten Innenraum eingeleiteten Sauerstoffs durch Änderungen der Sauerstoffkonzentration im in den ersten Innenraum eingeleiteten Messgas kaum beeinflusst. In der Folge wird der Pumpstromwert, der durch das Stromdetektionsmittel in Einklang mit dem durch die dritte elektrochemische Pumpzelle für den dritten Innenraum durchgeführten Hinauspumpen für den Sauerstoff detektiert wird, durch die Änderung der Sauerstoffkonzentration im Messgas nicht beeinflusst. Der Pumpstromwert ist ein Wert, der präzise mit dem Wert der im Messgas bestehenden zu bestimmenden Komponente korrespondiert.
In einer weiteren Ausführungsform des Gassensors der Erfindung umfasst die dritte elektrochemische Pumpzelle den Trockenelektrolyten zur Ausbildung des zweiten Innenraums und ein Paar damit in Kontakt stehender dritter Pumpelektroden.
In dieser Ausführungsform ist es nicht notwendig, einen neuen Innenraum für das Vorsehen der dritten elektrochemischen Pumpzelle bereitzustellen. Daher kann die Miniaturisierung der gesamten Struktur des Gassensors erleichtert werden.
In einer weiteren Ausführungsform des wie oben ausgelegten Gassensors ist es vorzuziehen, dass die zweite Messelektrode und die dritte Pumpelektrode für den zweiten Innenraum (gehören zum Paar der zweiten Messelektroden und dem Paar der dritten Pumpelektroden) jeweils einander gegenüberliegend angeordnet sind.
Wenn in dieser Ausführungsform die Konzentration der Messgaskomponente auf der Basis des Pumpstroms gemessen wird, stehen die zweite Messelektrode und die dritte Pumpelektrode in einer Beziehung zueinander, in der die erstere durch die zweitere kaum beeinflusst wird. Selbst wenn daher die dritte elektrochemische Pumpzelle im zweiten Innenraum vorgesehen ist, kann die Menge der im Messgas bestehenden, zu bestimmenden Komponente präzise gemessen werden.
Im wie oben ausgelegten Gassensor ist es vorzuziehen, dass die zweite Pumpelektrode und die zweite Messelektrode für den zweiten Innenraum (gehören zum Paar zweiter Pumpelektroden und zum Paar zweiter Messelektroden) zu einer gemeinsamen Elektrode kombiniert sind.
In dieser Ausführungsform ist es nicht notwendig, einen breiten Bereich vorzusehen, um die Elektrode im zweiten Innenraum auszubilden. Es ist daher möglich, die Struktur des Gassensors selbst zu verkleinern. Wenn der Gassensor ausgebildet ist, identische Größe aufzuweisen, kann man den ersten Innenraum mit breitem Volumen ausstatten. Es ist somit möglich, die Pumpleistung der zweiten elektrochemischen Pumpzelle zu steigern und die Feineinstellung der Sauerstoffkonzentration im zweiten Innenraum präziser durchzuführen.
Aufgrund der gemeinsamen Struktur der Pumpelektrode und der Messelektrode ändert sich die gemessene Spannung in der zweiten elektrochemischen Sensorzelle ohne jegliche Zeitverzögerung, z. B. wenn sich das Ausmaß des Hinauspumpens von Sauerstoff durch die zweite elektrochemische Pumpzelle im zweiten Innenraum und die Sauerstoffkonzentration im zweiten Innenraum ändert. Die zweite elektrochemische Pumpzelle kann daher der Rückkopplungs-Regelung durch die zweite elektrochemische Sensorzelle in geeigneter Weise und ohne jegliche Schwingung unterzogen werden.
Im oben beschriebenen Gassensor ist es vorzuziehen, dass ein Material mit herabgesetzter Reduktionsfähigkeit oder ohne Reduktionsfähigkeit für NO im Messgas als Material für die erste Pumpelektrode und die erste Messelektrode im ersten Innenraum sowie für die zweite Pumpelektrode und die zweite Messelektrode im zweiten Innenraum verwendet wird. In dieser Ausführungsform umfassen jene als Material mit herabgesetzter Reduktionsfähigkeit oder ohne Reduktionsfähigkeit für NO im Messgas geeignete Materialien ein Cermet aus Au und ZrO&sub2; und ein Cermet aus Au, eine Legierung eines Pt-Gruppe-Elements und ZrO&sub2;.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung einen Gassensor zur Bestimmung der Menge einer bestimmten Komponente im Messgas durch Reduzieren oder Abbauen der Komponente mit gebundenem Sauerstoff im Messgas und Messen der während der Reduktion oder des Abbaus produzierten Sauerstoffmenge, wobei der Gassensor Folgendes umfasst: Substrate, die aus Trockenelektrolyten bestehen; einen ersten Diffusionsraten-Bestimmungsabschnitt zum Einleiten des Messgases unter einem vorbestimmten Diffusionswiderstand; einen ersten Innenraum zur Herstellung einer Verbindung mit einer Atmosphäre des Messgases über den ersten Diffusionsraten- Bestimmungsabschnitt; eine erste elektrochemische Pumpzelle, die den Trockenelektrolyten zur Ausbildung des ersten Innenraums und ein Paar erster Pumpelektroden umfasst, die in Kontakt mit diesem sind; eine erste elektrochemische Sensorzelle, die den Trockenelektrolyten zur Ausbildung des ersten Innenraums und ein Paar erster Messelektroden umfasst, die in Kontakt mit diesem sind; einen zweiten Diffusionsraten-Bestimmungsabschnitt, um das Gas, das so eingestellt ist, dass es eine vorbestimmte Sauerstoffkonzentration aufweist, unter einem vorbestimmten Diffusionswiderstand in den ersten Innenraum einzuleiten; einen zweiten Innenraum zur Herstellung einer Verbindung mit der Atmosphäre des Messgases über den zweiten Diffusionsraten-Bestimmungsabschnitt; eine zweite elektrochemische Pumpzelle, die den Trockenelektrolyten zur Ausbildung des zweiten Innenraums und ein Paar zweiter Pumpelektroden umfasst, die in Kontakt mit diesem sind; eine zweite elektrochemische Sensorzelle, die den Trockenelektrolyten zur Ausbildung des zweiten Innenraums oder und ein Paar zweiter Messelektroden umfasst, die in Kontakt mit diesem sind; einen dritten Diffusionsraten-Bestimmungsabschnitt, um das Gas, das so eingestellt ist, dass es eine vorbestimmte Sauerstoffkonzentration aufweist, unter einem vorbestimmten Diffusionswiderstand in den zweiten Innenraum einzuleiten; eine dritte elektrochemische Sensorzelle zum Abgeben einer elektromotorischen Kraft, die einem Sauerstoffpartialdruck entspricht, der durch Sauerstoff definiert ist, der durch die Reduktion oder den Abbau der Komponente mit gebundenem Sauerstoff im Messgas erzeugt wird, das über den dritten Diffusionsraten-Bestimmungsabschnitt eingeleitet wird; sowie ein Spannungsdetektionsmittel zum Detektieren der elektromotorischen Kraft, die von der dritten elektrochemischen Sensorzelle abgegeben wird.
Gemäß der Erfindung wird das Messgas unter vorbestimmtem Diffusionswiderstand über den ersten Diffusionsraten-Bestimmungsabschnitt zunächst in den ersten Innenraum eingeleitet. Das in den ersten Innenraum eingeleitete Messgas wird mittels der durch die erste elektrochemische Pumpzelle durchgeführten Pumptätigkeit so eingestellt, dass es eine vorbestimmte Sauerstoffkonzentration aufzuweist.
Das Gas, dessen vorbestimmte Sauerstoffkonzentration mittels der ersten elektrochemischen Pumpzelle eingestellt ist, wird unter vorbestimmtem Diffusionswiderstand über den zweiten Diffusionsraten-Bestimmungsabschnitt in den zweiten Innenraum eingeleitet. Das in den zweiten Innenraum eingeführte Gas wird mittels der durch die zweite elektrochemische Pumpzelle durchgeführten Pumptätigkeit so feineingestellt, dass es eine vorbestimmte Sauerstoffkonzentration aufweist.
Das Gas, dessen vorbestimmte Sauerstoffkonzentration mittels der zweiten elektrochemischen Pumpzelle feineingestellt ist, wird unter vorbestimmtem Diffusionswiderstand über den dritten Diffusionsraten-Bestimmungsabschnitt in die dritte elektrochemische Sensorzelle eingeleitet. Die dritte elektrochemische Sensorzelle sorgt für Reduktion oder Abbau der Komponente mit gebundenem Sauerstoff im eingeleiteten Messgas und gibt elektromotorische Kraft ab, die mit dem Sauerstoff- Partialdruck (definiert durch den während der Reduktion oder des Abbaus produzierten Sauerstoff) korrespondiert.
Die aus der dritten elektrochemischen Sensorzelle abgegebene elektromotorische Kraft wird durch das Spannungsdetektionsmittel detektiert. Die Menge der zu bestimmenden Komponente im Messgas wird auf der Basis des detektierten Werts (Spannungswerts) ermittelt.
Wenn die Sauerstoffkonzentration in Messgas während der Durchführung des obigen Vorgangs stark variiert (in einem Bereich von 0 bis 20%), verändert sich auch die Verteilung der Sauerstoffkonzentration im in den ersten Innenraum eingeleiteten Messgas beträchtlich, und es variiert auch die Menge des in den zweiten Innenraum eingeleiteten Sauerstoffs.
Die Konzentration des in den zweiten Innenraum eingeleiteten Sauerstoffs wird durch die zweite elektrochemische Pumpzelle feineingestellt. Aufgrund der durch die erste elektrochemische Pumpzelle im ersten Innenraum durchgeführten Pumpleistung jedoch wird die Konzentrationsschwankung des in den zweiten Innenraum eingeleiteten Sauerstoffs im Vergleich zur Konzentrationsschwankung des Sauerstoffs im in den ersten Innenraum eingeleiteten Messgas stark reduziert. Es ist daher möglich, die Sauerstoffkonzentration im zweiten Innenraum präzise zu regeln, d. h. auf konstantem Wert zu halten.
In der Erfindung wird die durch die zweite elektrochemische Pumpzelle durchgeführte Pumptätigkeit einer Rückkopplungs-Regelung auf der Basis der zweiten elektrochemischen Sensorzelle für den zweiten Innenraum unterzogen. Somit ist es möglich, die Sauerstoffkonzentration im zweiten Innenraum präziser zu steuern.
Wie oben beschrieben, wird die Sauerstoffkonzentration im zweiten Innenraum präzise geregelt, um sie konstant zu halten. Demzufolge wird die Konzentration des in die dritte elektrochemische Pumpzelle eingeleiteten Sauerstoffs kaum durch Änderungen der Sauerstoffkonzentration im in den ersten Innenraum eingeleiteten Messgas beeinflusst. In der Folge wird auch der Spannungswert, der durch das Spannungsdetektionsmittel detektiert wird, durch Änderungen der Sauerstoffkonzentration im Messgas nicht beeinflusst. Der Spannungswert ist ein Wert, der präzise mit dem Wert der im Messgas bestehenden, zu bestimmenden Komponente korrespondiert.
Der Gassensor gemäß diesem Aspekt der Erfindung ermöglicht es, Beeinträchtigungen aufgrund von Änderungen der Sauerstoffkonzentration im Abgas der Detektionsempfindlichkeit der Menge der im Messgas bestehenden, zu bestimmenden Komponente zu vermeiden. Es ist somit möglich, die Messgenauigkeit für die Messgaskomponente zu verbessern.
Im erfindungsgemäßen Gassensor gibt die dritte elektrochemische Sensorzelle die elektromotorische Kraft ab, die mit dem Sauerstoff-Partialdruck (definiert durch den durch Reduktion oder Abbau der Messgaskomponente produzierten Sauerstoff) korrespondiert. Die elektromotorische Kraft wird durch das für die stromabliegende Stufe vorgesehene Spannungsdetektionsmittel als Spannungswert detektiert. Selbst wenn daher Sauerstoff beim Messen der Messgaskomponente in niedriger Konzentration in geringer Menge erzeugt wird, kann die geringe Menge an Sauerstoff als große Veränderung der elektromotorischen Kraft gemessen werden. Auf diese Weise kann man für die Detektionsempfindlichkeit einen hohen Signal-Rauschabstand erzielen.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der erfindungsgemäße Gassensor ferner einen dritten Innenraum, der mit der Atmosphäre des Messgases über den dritten Diffusionsgeschwindigkeits-Bestimmungsabschnitt kommuniziert, worin die dritte elektrochemische Sensorzelle den Trockenelektrolyten für die Ausbildung des dritten Innenraums und ein Paar damit in Kontakt stehender dritter Messelektroden umfasst.
In dieser Ausführungsform gibt die dritte elektrochemische Sensorzelle die elektromotorische Kraft ab, die mit dem Sauerstoff-Partialdruck in der Atmosphäre im dritten Raum (definiert durch den durch Reduktion oder Abbau der Messgaskomponente produzierten Sauerstoff) korrespondiert. In Kombination mit der Tatsache, dass die Sauerstoffkonzentration im zweiten Innenraum präzise auf konstantem Wert gehalten wird, wird die Konzentration des in den dritten Innenraum eingeleiteten Sauerstoffs durch Änderungen der Sauerstoffkonzentration im in den ersten Innenraum eingeleiteten Messgas kaum beeinflusst. In der Folge wird der durch das Spannungsdetektionsmittel detektierte Spannungswert durch Änderungen der Sauerstoffkonzentration im Messgas nicht beeinflusst. Der Spannungswert ist ein Wert, der präzise mit der Menge der im Messgas bestehenden, zu bestimmenden Komponente korrespondiert.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gassensors umfasst die dritte elektrochemische Sensorzelle den Trockenelektrolyten zur Ausbildung des zweiten Innenraums und ein Paar damit in Kontakt stehender dritter Messelektroden.
In dieser Ausführungsform ist es nicht erforderlich, einen neuen Innenraum für die Ausbildung der dritten elektrochemischen Sensorzelle bereitzustellen. Auf diese Weise kann man die gesamte Struktur des Gassensors verkleinern.
Im wie oben ausgelegten Gassensor ist es vorzuziehen, dass die dritte Messelektrode (des Paars dritter Messelektroden) für den zweiten Innenraum gegenüber dem Inneren des zweiten Innenraums freiliegt. Der dritte Diffusionsraten-Bestimmungsabschnitt kann entfallen. Anders ausgedrückt kann man auf den dritten Diffusionsraten- Bestimmungsabschnitt verzichten, indem die gegenseitige Anordnung der zweiten Pumpelektrode und der dritten Messelektrode im zweiten Innenraum entsprechend eingestellt wird. In dieser Ausführungsform ist es nicht erforderlich, den dritten Diffusionsraten-Bestimmungsabschnitt solcherart vorzusehen, dass er die dritte Messelektrode umgibt. Daher können die Herstellungsschritte vereinfacht werden.
In einer weiteren Ausführungsform des wie oben ausgelegten Gassensors ist es vorzuziehen, dass die zweite Messelektrode und die dritte Messelektrode für den zweiten Innenraum (gehören zum Paar zweiter Messelektroden und zum Paar dritter Messelektroden) parallel zueinander angeordnet sind.
Wenn in dieser Ausführungsform die Konzentration der Messgaskomponente auf der Basis der elektromotorischen Kraft gemessen wird, sind die zweite Messelektrode und die dritte Messelektrode nebeneinander angeordnet. Es ist auf diese Weise möglich, die Sauerstoffkonzentration in der Nähe der zweiten Messelektrode genauer zu regeln. Selbst wenn die dritte elektrochemische Sensorzelle im zweiten Innenraum vorhanden ist, kann die Menge der im Messgas bestehenden, zu bestimmenden Komponente präzise gemessen werden.
Im wie oben ausgelegten Gassensor ist es vorzuziehen, dass die zweite Pumpelektrode und die zweite Messelektrode für den zweiten Innenraum (gehören zum Paar zweiter Pumpelektroden und zum Paar zweiter Messelektroden) zu einer gemeinsamen Elektrode kombiniert sind.
In dieser Ausführungsform ist es nicht erforderlich, eine breite Fläche zur Ausbildung der Elektrode im zweiten Innenraum vorzusehen. Man kann daher die Struktur des Gassensors selbst verkleinern. Wenn der Gassensor ausgebildet ist, identische Größe aufzuweisen, kann man den zweiten Innenraum mit großem Volumen ausstatten. Auf diese Weise kann die Pumpleistung der zweiten elektrochemischen Pumpzelle gesteigert und die Feineinstellung für die Sauerstoffkonzentration im zweiten Innenraum präziser vorgenommen werden.
Aufgrund der gemeinsamen Struktur der Pumpelektrode und der Messelektrode ändert sich die gemessene Spannung in der zweiten elektrochemischen Sensorzelle auch ohne jegliche Zeitverzögerung, z. B. wenn sich das Ausmaß des Hinauspumpens von Sauerstoff durch die zweite elektrochemische Pumpzelle im zweiten Innenraum und die Sauerstoffkonzentration im zweiten Innenraum ändert. Die zweite elektrochemische Pumpzelle kann daher der Rückkopplungs-Regelung durch die zweite elektrochemische Sensorzelle in geeigneter Weise und ohne jegliche Schwingung unterzogen werden.
Im oben beschriebenen Gassensor ist es vorzuziehen, dass ein Material mit geringer Reduktionsfähigkeit oder ohne Reduktionsfähigkeit für NO im Messgas als Material für die erste Pumpelektrode und die erste Messelektrode im ersten Innenraum sowie für die zweite Pumpelektrode und die zweite Messelektrode im zweiten Innenraum verwendet wird. In dieser Ausführungsform sind jene als Material mit geringer Reduktionsfähigkeit oder ohne Reduktionsfähigkei für NO im Messgas geeigneten Materalien ein Cermet aus Au und ZrO&sub2; und ein Cermet aus Au, eine Legierung eines Pt-Gruppe-Elements und ZrO&sub2;.
Obige und andere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Abbildungen, worin eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung als Beispiel veranschaulicht ist.

BESCHREIBUNG DER ABBILDUNGEN

Fig. 1 ist eine schematische Querschnittsansicht einer Anordnung des Gassensors gemäß einer ersten Ausführungsform.
Fig. 2 zeigt eine charakteristische Kurve, aus der die Abhängigkeit des Pumpstroms durch die dritte elektrochemische Pumpzelle von der NOx-Konzentration ersichtlich ist.
Fig. 3 zeigt charakteristische Kurven, aus der Änderungen des Pumpstroms in der dritten elektrochemischen Pumpzelle ersichtlich sind, die dann erhalten werden, Wenn sich die Sauerstoffkonzentration im Messgas in einem Bereich von 0 bis 20% ändert, worin die durchgehende Linie die in Beispiel 1 erzielte Charakteristik und die strichlierte Linie die im Vergleichsbeispiel erzielte Charakteristik darstellt.
Fig. 4 ist eine schematische Querschnittsansicht einer modifizierten Version des Gassensors gemäß der ersten Ausführungsform.
Fig. 5 zeigt charakteristische Kurven, aus der Änderungen der durch die dritte elektrochemische Sensorzelle erzeugten elektromotorischen Kraft ersichtlich sind, die erhalten werden, wenn sich die Sauerstoffkonzentration in einem Messgas in einem Bereich von 0 bis 20% ändert, worin die durchgehende Linie die in Beispiel 2 erzielte Charakteristik und die strichlierte Linie die im Vergleichsbeispiel erzielte Charakteristik darstellt.
Fig. 6 ist eine schematische Querschnittsansicht einer Anordnung eines Gassensors gemäß einer zweiten Ausführungsform.
Fig. 7 ist eine Querschnittsansicht entlang Linie A-A in Fig. 6.
Fig. 8 ist eine schematische Querschnittsansicht einer Anordnung eines Gassensors gemäß einer dritten Ausführungsform.
Fig. 9 ist eine Querschnittsansicht entlang Linie B-B in Fig. 8.
Fig. 10 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Gassensors gemäß einer vierten Ausführungsform.
Fig. 11 ist eine Querschnittsansicht entlang Linie C-C in Fig. 10.

BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN

Es werden nun unter Bezugnahme auf Fig. 1 bis 11 mehrere Ausführungsformen erläutert, in denen der erfindungsgemäße Gassensor auf Gassensoren zur Messung von Oxiden wie z. B. N0, NO&sub2;, SO&sub2;, CO&sub2; und H&sub2;O und entflammbaren Gasen wie z. B. CO und CnHm angewendet wird, die beispielsweise in Atmosphärenluft und aus Fahrzeugen bzw. Automobilen ausgestoßenen Abgasen enthalten sind.
Wie aus Fig. 1 ersichtlich, umfasst der Gassensor der ersten Ausführungsform z. B. sechs übereinander angeordnete Trockenelektrolytschichten 10a bis 10f, die jeweils aus Keramik bestehen (basierend auf der Verwendung eines Sauerstoffionen-leitenden Trockenelektrolyten wie etwa ZrO&sub2;). Die erste und die zweite Schicht von unten werden als erste und zweite Substratschicht 10a, 10b bezeichnet, die dritte und die fünfte Schicht von unten werden als erste und zweite Abstandhalterschicht 10c, 10e bezeichnet, und die vierte und sechste Schicht von unten werden als erste und zweite Trockenelektrolytschicht 10d, 10f bezeichnet.
Die erste Abstandhalterschicht 10c liegt auf der zweiten Substratschicht 10b auf. Die erste Trockenelektrolytschicht 10d, die zweite Abstandhalterschicht 10e und die zweite Trockenelektrolytschicht 10f sind übereinander auf der ersten Abstandhalterschicht 10c angeordnet.
Ein Raum (Referenzgas-Einleitungsraum 12), in den Referenzgas wie z. B. Atmosphärenluft als Referenz zur Messung von Oxiden eingeleitet wird, ist zwischen der zweiten Substratschicht 10b und der ersten Trockenelektrolytschicht 10d durch eine untere Fläche der ersten Trockenelektrolytschicht 10d, eine obere Fläche der zweiten Substratschicht 10b und Seitenflächen der ersten Abstandhalterschicht 10c unterteilt.
Die zweite Abstandhalterschicht 10e ist zwischen der ersten und zweiten Trockenelektrolytschicht 10d, 10f positioniert, und der erste, zweite und dritte Diffusionsraten-Bestimmungsabschnitt 14, 16, 18 sind dazwischen angeordnet.
Ein erster Innenraum 20 für die Einstellung des Sauerstoff-Partialdrucks im Messgas ist durch eine untere Fläche der zweiten Trockenelektrolytschicht 10f, Seitenflächen des ersten und des zweiten Diffusionsgeschwindigkeits-Bestimmungsabschnitts 14, 16 und einer oberen Fläche der ersten Trockenelektrolytschicht 10d unterteilt. Ein zweiter Innenraum 22 für die Feineinstellung des Sauerstoff-Partialdrucks im Messgas ist durch die untere Fläche der zweiten Trockenelektrolytschicht 10f, Seitenflächen des zweiten und des dritten Diffusionsraten-Bestimmungsabschnitts 16, 18 und die obere Fläche der ersten Trockenelektrolytschicht 10d unterteilt. Ein dritter Innenraum 24 zur Messung von Oxiden, z. B. Stickoxiden (NOx) im Messgas, ist durch die untere Fläche der zweiten Trockenelektrolytschicht 10f, die Seitenfläche des dritten Diffusionsraten- Bestimmungsabschnitts 18, Seitenflächen der zweiten Abstandhalterschicht 10e und die obere Fläche der ersten Trockenelektrolytschicht 10d unterteilt.
Der Außenraum kann mit dem ersten Innenraum 20 über den ersten Diffusionsraten- Bestimmungsabschnitt 14 kommunizieren. Der erste Innenraum kann mit dem zweiten Innenraum 22 über den zweiten Diffusionsraten-Bestimmungsabschnitt 16 kommunizieren. Der zweite Innenraum 22 kann mit dem dritten Innenraum 24 über den dritten Diffusionsraten-Bestimmungsabschnitt 18 kommunizieren.
Der erste, der zweite und der dritte Diffusionsraten-Bestimmungsabschnitt 14, 16, 18 üben auf das in den ersten Innenraum 20, den zweiten Innenraum 22 bzw. den dritten Innenraum 24 eingeleitete Messgas vorbestimmte Diffusionswiderstände aus. Jeder der Diffusionsraten-Bestimmungsabschnitte 14, 16, 18 kann als Durchgang ausgebildet sein, der z. B. aus porösem Material besteht oder ein kleines Loch mit vorbestimmter Querschnittsfläche aufweist, durch das das Messgas eingeleitet werden kann.
Genauer gesagt wird ein poröses Element aus z. B. ZrO&sub2; im zweiten und dritten Diffusionsraten-Bestimmungsabschnitt 16, 18 eingesetzt und angeordnet. Somit werden die Diffusionswiderstand der zweiten und dritten Diffusionsraten-Bestimmungsabschnitte 16, 18 gegenüber dem Diffusionswiderstand des ersten Diffusionsraten- Bestimmungsabschnitts 14 erhöht.
Die Atmosphäre im ersten Innenraum 20 wird unter dem vorbestimmten Diffusionswiderstand über den zweiten Diffusionsraten-Bestimmungsabschnitt 16 in den zweiten Innenraum 22 eingeleitet. Außerdem wird die Atmosphäre im zweiten Innenraum 22 unter dem vorbestimmten Diffusionswiderstand in den dritten Innenraum 24 eingeleitet.
Eine erste innere Pumpeleketrode 26 mit etwa rechteckiger planarer Konfiguration, bestehend aus einer porösen Cermetelektrode, ist auf dem gesamten Oberflächenabschnitt der unteren Fläche der zweiten Trockenelektrolytschicht 10f zur Ausbildung des ersten Innenraums 20 ausgebildet. Eine erste äußere Pumpelektrode 28 ist auf einem Teil der oberen Fläche der zweiten Trockenelektrolytschicht 10f ausgebildet, wobei dieser Teil der ersten inneren Pumpelektrode 26 entspricht. Eine erste elektrochemische Pumpzelle 30 besteht aus der ersten inneren Pumpelektrode 26, der ersten äußeren Pumpelektrode 28 und der zweiten Trockenelektrolytschicht 10f.
Eine erwünschte Spannung Vp1 wird mittels einer externen variablen Spannungsquelle 32 zwischen der ersten inneren Pumpelektrode 26 und der ersten äußeren Pumpelektrode 28 der ersten elektrochemischen Pumpzelle 30 angelegt, so dass ein Pumpstrom weg von der ersten äußeren Pumpelektrode 28 hin zur ersten inneren Pumpelektrode 26 fließen kann. Somit kann Sauerstoff in der Atmosphäre im ersten Innenraum 20 in den Außenraum nach außen hinausgepumpt werden.
Eine erste Messelektrode 34 mit etwa rechteckiger planarer Konfiguration, bestehend aus einer porösen Cermetelektrode, ist auf einem Teil der oberen Fläche der ersten Trockenelektrolytschicht 10d zur Ausbildung des ersten Innenraums 20 ausgebildet, wobei dieser Teil an den zweiten Diffusionsraten-Bestimmungsabschnitt 16 angrenzt. Eine erste Referenzelektrode 36 ist auf einem Teil der unteren Fläche der ersten Trockenelektrolytschicht 10d ausgebildet, wobei der Teil gegenüber dem Referenzgas- Einleitungsraum 12 freiliegt und mit der ersten Messelektrode 34 korrespondiert. Eine erste elektrochemische Sensorzelle 38, die als ein Sauerstoff-Partialdruck- Detektionsmittel dient, wird durch die erste Messelektrode 34, die erste Referenzelektrode 36 und die erste Trockenelektrolytschicht 10d gebildet.
Die erste elektrochemische Sensorzelle 38, wird betrieben, um mit einem Spannungsmesser V1 die zwischen der ersten Messelektrode 34 und der ersten Bezugselektrode 36 erzeugte elektromotorische Kraft auf der Basis der Differenz der Sauerstoffkonzentration zwischen der Atmosphäre im ersten Innenraum 20 und dem Referenzgas (Atmosphärenluft) im Referenzgas-Einleitungsraum 12 zu messen. Somit kann der Sauerstoff-Partialdruck in der Atmosphäre im ersten Innenraum 20 detektiert werden.
Ein detektierter Wert des Sauerstoff-Partialdrucks dient dazu, die Rückkopplungs- Regelung für die variable Spannungsquelle 32 durchzuführen. Genauer gesagt wird die Pumpleistung der ersten elektrochemischen Pumpzelle 30 solcherart gesteuert, dass der Sauerstoff-Partialdruck in der Atmosphäre im ersten Innenraum 20 einen vorbestimmten Wert aufweist, der niedrig genug ist, um den Sauerstoff-Partialdruck im nächsten Innenraum 22 regeln zu können.
Die poröse Cermetelektrode für die Ausbildung der ersten inneren Pumpelektrode 26 und der ersten äußeren Pumpelektrode 28 besteht aus einem Metall wie etwa Pt und einer Keramik wie etwa ZrO&sub2;. Es ist jedoch erforderlich, dass ein Material mit abgeschwächter oder ohne Reduktionsfähigkeit für die NO-Komponente im Messgas für die erste innere Pumpelektrode 26 und die erste Messelektrode 34 verwendet wird, die im ersten Innenraum 20 angeordnet sind und mit dem Messgas in Kontakt stehen. Es ist vorzuziehen, dass die erste innere Pumpelektrode 26 und die erste Messelektrode 34 z. B. aus einer Verbindung mit Perovskitstruktur wie z. B. La&sub3;CuO&sub4;, einem Cermet aus einer Keramik und einem Metall mit niedriger katalytischer Aktivität wie z. B. Au oder einem Cermet einer Keramik, einem Metall der Pt-Gruppe sowie einem Metall mit niedriger katalytischer Aktivität wie z. B. Au bestehen. Wenn eine Legierung von Au und einem Metall der Pt-Gruppe als Elektrodenmaterial verwendet wird, ist es vorzuziehen, Au in einer Menge von 0,03 bis 35 Vol.-% der gesamten Metallkomponente zuzusetzen.
Die zweite innere Pumpelektrode 40 mit etwa rechteckiger planarer Konfiguration, bestehend aus einer porösen Cermetelektrode, ist auf einem gesamten Oberflächenabschnitt der unteren Fläche der zweiten Trockenelektrolytschicht 10f zur Ausbildung des zweiten Innenraums 22 ausgebildet. Eine zweite äußere Pumpelektrode 42 ist auf einem Teil der oberen Fläche der zweiten Trockenelektrolytschicht 10f ausgebildet, wobei dieser Teil mit der zweiten inneren Pumpelektrode 40 korrespondiert. Die zweite elektrochemische Pumpzelle 44 besteht aus der zweiten inneren Pumpelektrode 40, der zweiten äußeren Pumpelektrode 42 und der zweiten Trockenelektrolytschicht 10f.
Eine erwünschte Spannung Vp2 wird mittels einer externen variablen Stromquelle 46 zwischen der zweiten inneren Pumpelektrode 40 und der zweiten äußeren Pumpelektrode 42 der zweiten elektrochemischen Pumpzelle 44 angelegt, so dass ein Strom von der zweiten äußeren Pumpelektrode 42 in Richtung der zweiten inneren Pumpelektrode 40 fließen kann. Somit kann der Sauerstoff in der Atmosphäre im zweiten Innenraum 22 hinaus in den Außenraum gepumpt werden. Demzufolge wird der Sauerstoff-Partialdruck in der Atmosphäre im zweiten Innenraum 22 auf einem niedrigen Wert gehalten, bei dem die Messung der Menge der zu bestimmenden Komponente im Wesentlichen nicht beeinträchtigt wird; die Messung erfolgt unter Bedingungen, unter denen die Messgaskomponente (NOx) nicht stark reduziert oder abgebaut wird. In dieser Anordnung ist aufgrund des Betriebs der ersten elektrochemischen Pumpzelle 30 für den ersten Innenraum 20 die Änderung der in den zweiten Innenraum 22 eingeleiteten Sauerstoffmenge im Vergleich zur Änderung des Messgases stark eingeschränkt. Daher wird der Sauerstoff-Partialdruck im zweiten Innenraum 22 präzise auf konstantem Wert gehalten.
Im Gassensor gemäß der ersten Ausführungsform ist eine zweite Messelektrode 48 mit etwa rechteckiger planarer Konfiguration, bestehend aus einer porösen Cermetelektrode, auf einem Teil der oberen Fläche der ersten Trockenelektrolytschicht 10d zur Ausbildung des zweiten Innenraums 22 ausgebildet, wobei der Teil an den dritten Diffusionsraten-Bestimmungsabschnitt 18 angrenzt. Eine zweite Referenzelektrode 50 ist auf einem Teil der unteren Fläche der ersten Trockenelektrolytschicht 10d ausgebildet, wobei der Teil gegenüber dem Referenzgas- Einleitungsraum 12 freiliegt und mit der zweiten Messelektrode 48 korrespondiert. Eine zweite elektrochemische Sensorzelle 52, die als Sauerstoff-Partialdruck-Detektionsmittel dient, besteht aus der zweiten Messelektrode 48, der zweiten Referenzelektrode 50 und der ersten Trockenelektrolytschicht 10d.
Die zweite elektrochemische Sensorzelle 52 wird betrieben, um mittels eines Spannungsmessers V2 die elektromotorische Kraft zu messen, die zwischen der zweiten Messelektrode 48 und der zweiten Referenzelektrode 50 entsteht; dies erfolgt auf der Basis der Differenz der Sauerstoffkonzentration zwischen der Atmosphäre im zweiten Innenraum 22 und dem Referenzgas (Atmosphärenluft) im Referenzgas-Einleitungsraum 12. Auf diese Weise kann der Sauerstoff-Partialdruck in der Atmosphäre im zweiten Innenraum 22 detektiert werden.
Ein detektierter Wert des Sauerstoff-Partialdrucks dient dazu, die Rückkopplungs- Regelung für die variable Spannungsquelle 46 durchzuführen. Auf diese Weise wird der Sauerstoff-Partialdruck im zweiten Innenraum 22 präziser durch die zweite elektrochemische Pumpzelle 44 gesteuert.
Im Gassensor gemäß der ersten Ausführungsform ist eine dritte innere Pumpelektrode 54 mit etwa rechteckiger planarer Konfiguration, bestehend aus einer porösen Cermetelektrode, auf fast auf dem gesamten Oberflächenabschnitt der oberen Fläche der ersten Trockenelektrolytschischt 10d zur Ausbildung des dritten Innenraums 24 ausgebildet. Eine dritte äußere Pumpelektrode 56 ist auf einem Teil der unteren Fläche der ersten Trockenelektrolytschicht 10d ausgebildet, wobei der Teil gegenüber dem Referenzgas-Einleitungsraum 12 freiliegt und mit der dritten inneren Pumpelektrode 54 korrespondiert. Eine dritte elektrochemische Pumpzelle 58 besteht aus der dritten inneren Pumpelektrode 54, der dritten äußeren Pumpelektrode 56 und der ersten Trockenelektrolytschicht 10d.
Die dritte innere Pumpelektrode 54 besteht aus porösem Cermet, umfassend Zirconiumoxid als Keramik und Rh als Metall, das NOx, die Messgaskomponente, reduzieren kann. Demzufolge dient die dritte innere Pumpelektrode 54 als NOx- Reduktionskatalysator zur Reduktion von NOx in der Atmosphäre im dritten Innenraum 24. Die dritte innere Pumpelektrode 54 dient dazu, den Sauerstoff in der Atmosphäre im dritten Innenraum 24 hinaus in den Referenzgas-Einleitungsraum 12 zu pumpen; dies erfolgt in Einklang mit einer konstanten Spannung Vp3, die mittels einer Gleichspannungsquelle 60 zwischen die dritte innere Pumpelektrode 54 und die dritte äußere Pumpelektrode 56 angelegt wird. Der Pumpstrom, der gemäß der Pumpleistung der dritten elektrochemischen Pumpzelle 58 strömt, wird durch einen Strommesser Ip detektiert.
Die Konstant-Gleichspannungsquelle (DC) 60 kann eine Spannung mit einer Größenordnung anlegen, um der Pumpleistung für den während des Abbaus produzierten Sauerstoff, welche Pumpleistung durch die dritte elektrochemische Pumpzelle 58 erfolgt, einen Begrenzungspumpstrom zu verleihen (dies erfolgt unter Zufluss von NOx, der durch den dritten Diffusionsraten-Bestimmungsabschnitt 18 eingeschränkt wird).
Der Gassensor gemäß der ersten Ausführungsform umfasst überdies ein Heizelement 62 zur Erzeugung von Wärme mittels der externen Spannungsversorgung. Das Heizelement 62 ist so eingebettet, dass es vertikal zwischen der ersten und der zweiten Substratschicht 10a, 10b angeordnet ist. Das Heizelement 62 dient dazu, die Sauerstoffionen-Leitfähigkeit zu verbessern. Eine Keramikschicht 64 aus Aluminiumoxid o. dgl. ist auf der oberen und der unteren Fläche des Heizelements 62 zum elektrischen Isolieren des Heizelements 62 von den Substratschichten 10a, 10b angeordnet.
Wie aus Fig. 1 ersichtlich, ist das Heizelement 62 über die gesamte Fläche, die vom ersten Innenraum 20 bis zum dritten Innenraum 24 reicht, angeordnet. Somit werden die jeweiligen Innenräume 20, 22, 24 auf vorbestimmte Temperaturen erwärmt. Die erste, die zweite und die dritte elektrochemische Pumpzelle 30, 44, 58 sowie die erste und die zweite elektrochemische Sensorzelle 38, 52 werden auch auf vorbestimmte Temperaturen erwärmt und auf diesen Werten gehalten.
Der Gassensor gemäß der ersten Ausführungsform ist so positioniert, dass sich sein vorderes Ende auf der Seite des Außenraums befindet. Demzufolge wird das Messgas unter dem vorbestimmten Diffusionswiderstand über den ersten Diffusionsraten- Bestimmungsabschnitt 14 in den ersten Innenraum 20 eingeleitet. Das in den ersten Innenraum 20 eingeleitete Messgas wird der Sauerstoffpumpwirkung ausgesetzt, die durch Anlegen der vorbestimmten Spannung Vp1 zwischen das Paar der Pumpelektroden 26, 28, die die erste elektrochemische Pumpzelle 30 ausbilden hervorgerufen wird. Der Sauerstoff-Partialdruck wird auf einem vorbestimmten Wert gehalten, z. B. 10&supmin;&sup7; atm.
Der Sauerstoff-Partialdruck in der Atmosphäre im ersten Innenraum 20 wird auf der Basis der Nernst-Gleichung wie folgt geregelt, um einen vorbestimmten Wert aufzuweisen. Die elektromotorische Kraft zwischen der ersten Messelektrode 34 und der ersten Referenzelektrode 36 der ersten elektrochemischen Sensorzelle 38 wird mittels des Voltmeters V1 gemessen, um einen Spannungswert zu erhalten. Die Spannung (die variable Stromquelle 32), die zwischen das Paar Pumpelektroden 26, 28 der ersten elektrochemischen Pumpzelle 30 angelegt wird, wird einer Rückkopplungs- Regelung unterzogen, so dass der Spannungswert z. B. 300 mV (700ºC) beträgt. Somit erfolgt die Steuerung solcherart, dass der zu bestimmende Sauerstoff-Partialdruck von 107 atm erreicht wird.
Die an die erste elektrochemische Pumpzelle 30 angelegte Spannung Vp1 wird geregelt, so dass die von der ersten elektrochemischen Sensorzelle 38 abgegebene elektromotorische Kraft eine elektromotorische Kraft ist, die mit der Differenz zwischen der erwünschten Sauerstoffkonzentration im ersten Innenraum 20 und der Sauerstoffkonzentration im Referenzgas korrespondiert.
Der erste Diffusionsraten-Bestimmungsabschnitt 14 dient dazu, das Diffusionsausmaß und den Zufluss des Sauerstoffs im Messgas in den Messraum (den ersten Innenraum 20) einzuschränken, wenn die Spannung Vp1 an die erste elektrochemische Pumpzelle 30 angelegt wird, so dass der durch die erste elektrochemische Pumpzelle 30 fließende Strom unterdrückt wird.
Es wird im ersten Innenraum 20 ein Zustand des Sauerstoff-Partialdrucks geschaffen, worin NOx in der Atmosphäre durch die erste innere Pumpelektrode 26 und die erste Messelektrode 34 nicht reduziert wird, d. h. z. B. ein Zustand des Sauerstoff- Partialdrucks, worin die Reaktion von NO → 1/2N&sub2; + 1/2O&sub2; nicht einmal in einer Umgebung hervorgerufen wird, in der Erwärmung durch das externe Messgas und das Heizelement 62 erfolgt. Das hat den folgenden Grund. Wenn NOx im Messgas (in der Atmosphäre) im ersten Innenraum 20 reduziert wird, ist es unmöglich, NOx im dritten Innenraum 24, der sich stromabwärts befindet, präzise zu messen. Es ist notwendig, einen Zustand zu schaffen, in dem NOx im ersten Innenraum 20 nicht durch die Komponenten (in diesem Fall die Metallkomponenten der ersten inneren Pumpelektrode 26 und der ersten Messelektrode 34) reduziert wird, die möglicherweise für die Reduktion von NOx relevant sind. Genauer gesagt wird dieser Zustand erreicht, indem ein Material mit niedriger NOx-Reduktionsfähigkeit, z. B. eine Legierung von Au und Pt, für die erste innere Pumpelektrode 26 und die erste Messelektrode 34 verwendet wird.
Das Gas im ersten Innenraum 20 wird unter dem vorbestimmten Diffusionswiderstand über den zweiten Diffusionsraten-Bestimmungsabschnitt 16 in den zweiten Innenraum 22 eingeleitet. Das in den zweiten Innenraum 22 eingeleitete Gas wird der Sauerstoffpumpwirkung ausgesetzt, die durch Anlegen der vorbestimmten Spannung Vp2 zwischen das Paar Pumpelektroden 40, 42 (bildet die zweite elektrochemische Pumpzelle 44) hervorgerufen wird. Das Gas wird geregelt, so dass sein Sauerstoff- Partialdruck immer einen konstant niedrigen Wert aufweist.
Der Sauerstoff-Partialdruck in der Atmosphäre im zweiten Innenraum 22 wird auf der Basis der Nernst-Gleichung wie folgt geregelt, um den vorbestimmten niedrigen Wert aufzuweisen. Die elektromotorische Kraft zwischen der zweiten Messelektrode 48 und der zweiten Referenzelektrode 50 der zweiten elektrochemischen Sensorzelle 52 wird mittels des Spannungsmessers V2 gemessen, um einen Spannungswert zu erhalten. Die Spannung (die variable Spannungsquelle 46), die zwischen das Paar Pumpelektroden 40, 42 der zweiten elektrochemischen Pumpzelle 44 angelegt wird, wird einer Rückkopplungs-Regelung unterworfen, so dass der Spannungswert z. B. 430 mV (700 ºC) beträgt. Die Regelung erfolgt somit, um einen konstant niedrigen Sauerstoff- Partialdruck zu erzielen.
Die an die zweite elektrochemische Pumpzelle 44 angelegte Spannung Vp2 wird solcherart geregelt, dass die aus der zweiten elektrochemischen Sensorzelle 52 abgegebene elektromotorische Kraft mit der Differenz zwischen der erwünschten Sauerstoffkonzentration im zweiten Innenraum 22 und der Sauerstoffkonzentration im Referenzgas korrespondiert.
Der zweite Diffusionsraten-Bestimmungsabschnitt 16 dient dazu, das Diffusionsausmaß und den Zufluss des Sauerstoffs im Messgas in den Messraum (den zweiten Innenraum 22) einzuschränken, wenn die Spannung Vp2 an die zweite elektrochemische Pumpzelle 44 angelegt wird, so dass der durch die zweite elektrochemische Pumpzelle 44 fließende Strom unterdrückt wird (in gleicher Weise wie durch den ersten Diffusionsraten-Bestimmungsabschnitt 14).
Ein Zustand des Sauerstoff-Partialdrucks, in dem NOx in der Atmosphäre durch die zweite innere Pumpelektrode 40 und die zweite Messelektrode 48 sogar in einer Umgebung, in der die Erwärmung durch das externe Messgas und das Heizelement 62 erfolgt, nicht reduziert wird, wird in gleicher Weise wie im ersten Innenraum 20 auch im zweiten Innenraum 22 geschaffen. Demzufolge ist es notwendig, dass auch die zweite innere Pumpelektrode 40 und die zweite Messelektrode 48 aus einem Material mit abgeschwächter oder überhaupt nicht vorhandener Reduktionsfähigkeit für die NO- Komponente im Messgas bestehen (ebenso wie die erste innere Pumpelektrode 26 und die erste Messelektrode 34). Vorzugsweise bestehen z. B. die Elektroden aus einer Verbindung mit Perovskitstruktur wie z. B. La&sub3;CuO&sub4;, einem Cermet aus einer Keramik und einem Metall mit niedriger katalytischer Aktivität wie z. B. Au oder einem Cermet einer Keramik, einem Metall der Pt-Gruppe sowie einem Metall mit niedriger katalytischer Aktivität wie z. B. Au bestehen. Wenn eine Legierung aus Au und einem Metall der Pt-Gruppe als Elektrodenmaterial verwendet wird, ist es vorzuziehen, Au in einer Menge von 0,03 bis 35 Vol.-% der gesamten Metallkomponente zuzusetzen.
Das Messgas, dessen Sauerstoff-Partialdruck im zweiten Innenraum 22 wie oben geregelt wurde, wird unter dem vorbestimmten Diffusionswiderstand über den dritten Diffusionsraten-Bestimmungsabschnitt 18 in den dritten Innenraum 24 eingeleitet.
Wenn beabsichtigt wird, den Sauerstoff-Partialdruck in der Atmosphäre im ersten Innenraum 20 so zu regeln, das er einen niedrigen Wert aufweist, bei dem die Messung für NOx im Wesentlichen nicht beeinträchtigt wird, indem die erste elektrochemische Pumpzelle 30 betrieben wird, d. h. wenn die Spannung Vp1 der variablen Spannungsquelle 32 solcherart eingestellt ist, dass die durch die erste elektrochemische Sensorzelle 38 detektierte Spannung konstant ist, verändern sich üblicherweise - wahrscheinlich aus den unten angeführten Gründen - die jeweiligen Sauerstoff- Partialdrücke in der Atmosphäre im zweiten Innenraum 22 und in der Atmosphäre im dritten Innenraum 24 geringfügig, falls sich die Sauerstoffkonzentration im Messgas stark verändert, z. B. im Bereich von 0 bis 20%. Wenn nämlich die Sauerstoffkonzentration im Messgas steigt, erscheint die Verteilung der Sauerstoffkonzentration über der ersten Messelektrode 34 in Breiterichtung und Dickerichtung des ersten Innenraums 20. Die Verteilung der Sauerstoffkonzentration verändert sich je nach Sauerstoffkonzentration im Messgas.
Im Gassensor gemäß der ersten Ausführungsform jedoch ist die zweite elektrochemische Pumpzelle 44 für den zweiten Innenraum 22 vorgesehen, so dass der Sauerstoff-Partialdruck in der Innenatmosphäre immer einen konstanten Wert aufweist. Selbst wenn sich daher der Partialdruck von Sauerstoff in der Atmosphäre, der aus dem ersten Innenraum 20 in den zweiten Innenraum 22 eingeleitet wird, je nach Sauerstoffkonzentration im Messgas ändern sollte, weist der Sauerstoff-Partialdruck in der Atmosphäre im zweiten Innenraum 22 aufgrund der Pumpleistung der zweiten elektrochemischen Pumpzelle 44 immer einen konstanten Wert auf. Daher kann der Wert des Sauerstoff-Partialdrucks geregelt und auf einem Niveau gehalten werden, bei dem die Messung für NOx im Wesentlichen nicht beeinträchtigt wird.
NOx im in den dritten Innenraum 24 eingeleiteten Messgas wird um die dritte innere Pumpelektrode 54 der dritten elektrochemischen Purüpzelle 58 reduziert oder abgebaut, und es wird z. B. die Reaktion NO → 1/2N&sub2; + 1/2O&sub2; bewirkt. Während dieses Prozesses wird eine vorbestimmte Spannung Vp3, z. B. eine Spannung von 430 mV (700ºC), zwischen die dritte innere Pumpelektrode 54 und die dritte äußere Pumpelektrode 56 (bilden die dritte elektrochemische Pumpzelle 58) in einer Richtung angelegt, um Sauerstoff aus dem dritten Innenraum 24 hinaus in den Referenzgas- Einleitungsraum 12 zu pumpen.
Daher besitzt der durch die dritte elektrochemische Pumpzelle 58 fließende Strom einen Wert, der proportional zur Summe der Sauerstoffkonzentration in der in den dritten Innenraum 24 eingeleiteten Atmosphäre ist, d. h. der Sauerstoffkonzentration im zweiten Innenraum 22 und der Sauerstoffkonzentration, die durch Reduzieren oder Abbauen von NOx durch die dritte innere Pumpelektrode 54 erzielt wird.
In der Erfindung wird die Sauerstoffkonzentration in der Atmosphäre im zweiten Innenraum 22 mittels der zweiten elektrochemischen Pumpzelle 44 auf konstantem Wert gehalten. Demzufolge ist - wie aus Fig. 2 ersichtlich - der durch die dritte elektrochemische Pumpzelle 58 fließende Strom proportional zur NOx-Konzentration. Diese korrespondiert mit dem Diffusionsausmaß von NOx, das durch den dritten Diffusionsraten-Bestimmungsabschnitt 18 eingeschränkt wird. Selbst wenn sich daher die Sauerstoffkonzentration im Messgas deutlich verändern sollte, kann die NOx- Konzentration mittels der Strommessvorrichtung Ip und der dritten elektrochemischen Pumpzelle 58 präzise gemessen werden.
Man nimmt an, dass z. B. der Sauerstoff-Partialdruck in der Atmosphäre im zweiten Innenraum 22, reguliert durch die zweite elektrochemische Pumpzelle 44, 0,02 ppm und die Konzentration von NO als NOx-Komponente im Messgas 100 ppm beträgt. Der Pumpstrom fließt in einem Ausmaß, das der Summe (= 50,02 ppm) der Sauerstoffkonzentration von 50 ppm, erzeugt durch die Reduktion oder den Abbau von NO, und der Sauerstoffkonzentration von 0,02 ppm in der Atmosphäre im zweiten Innenraum 22 entspricht. Daher stellen fast alle Teile des Pumpstromwerts (erhalten in der dritten elektrochemischen Pumpzelle 58) das Ausmaß dar, das durch Reduktion oder Abbau von NO erzielt wird. Aus diesem Grund hängt der Pumpstromwert nicht von der Sauerstoffkonzentration im Messgas ab.
In Fig. 3 sieht man den Gassensor aus Beispiel 1 (konstruiert in gleicher Weise wie der Gassensor gemäß der ersten Ausführungsform) und den Gassensor des Vergleichsbeispiels (konstruiert ohne Vorsehen des zweiten Innenraums 22, der zweiten elektrochemischen Pumpzelle 44 und der zweiten elektrochemischen Sensorzelle 52). Fig. 3 zeigt die Veränderung des Pumpstroms in der dritten elektrochemischen Pumpzelle 58, die erzielt wird, wenn Gasgrundkomponenten auf einem N&sub2;-NO-O&sub2;- H&sub2;O-System basierten, die Konzentration von NO als NOx-Komponente auf 300 ppm fixiert war und die Sauerstoffkonzentration im Messgas in einem Bereich von 0 bis 20% schwankte, während N&sub2; als Trägergas diente. In Fig. 3 ist die anhand von Beispiel 1 erhaltene charakteristische Kurve durch eine durchgehende Linie und die anhand des Vergleichsbeispiels erhaltene charakteristische Kurve durch eine strichlierte Linie dargestellt.
In Beispiel 1 besaß die erste elektrochemische Pumpzelle 30 eine Pumpspannung von 300 mV (700ºC), und die zweite und die dritte elektrochemische Pumpzelle 44, 58 wiesen eine Pumpspannung von 430 mV (700ºC) auf. Im Vergleichsbeispiel besaß die erste elektrochemische Pumpzelle 30 eine Pumpspannung von 300 mV (700ºC) und die dritte elektrochemische Pumpzelle 58 eine Pumpspannung von 430 mV (700ºC).
Wie anhand der Ergebnisse von Fig. 3 erkennbar, wurde die Änderung des Pumpstroms aufgrund der Reduktion oder des Abbaus von NO in Beispiel 1 nicht einmal dann beobachtet, wenn sich die Sauerstoffkonzentration im Messgas änderte. Daher ist es möglich, einen präzisen Pumpstromwert zu erhalten, der mit der NO-Konzentration korrespondiert - unabhängig von der Änderung der Sauerstoffkonzentration im Messgas.
Im Vergleichsbeispiel hingegen nahm der Pumpstromwert in der dritten elektrochemischen Pumpzelle 58 mit Anstieg der Sauerstoffkonzentration im Messgas allmählich zu. Man beachte daher, dass es schwierig ist, die NO-Konzentration anhand des Pumpstromwerts präzise zu ermitteln.
Es erfolgte eine erfolgreiche und präzise Messung der NO-Konzentration, ohne dass die Änderung der Sauerstoffkonzentration im Messgas zu einer Beeinträchtigung führt; dies bewirkt eine Zunahme im Signal-Rauschabstand für die Messempfindlichkeit. Somit kann die Messung selbst dann stattfinden, wenn die Messgaskomponente in niedriger Konzentration vorliegt.
Es ist in Bezug auf den Gassensor gemäß der ersten Ausführungsform erforderlich, dass die erste und die zweite innere Pumpelektrode 26, 40 sowie die erste und die zweite Messelektrode 34, 48 (angeordnet im ersten Innenraum 20 und im zweiten Innenraum 22) bei Umgebungstemperaturen und den gesteuerten Sauerstoff-Partialdrücken in den jeweiligen Innenräumen 20, 22 keine Reduktion oder keinen Abbau der Messgaskomponente (NOx) in den jeweiligen Atmosphären bewirken. Demzufolge wird ein Elektrodenmetall wie z. B. Au und Ni mit geringer oder überhaupt keiner Reduktions- oder Abbaufähigkeit für die Messgaskomponente für die erste und die zweite innere Pumpelektrode 26, 40 sowie die erste und zweite Messelektrode 34, 48 verwendet. Günstigerweise verwendet man eine Cermetelektrode aus dem oben beschriebenen Metall und eine Cermetelektrode, die auf der Verwendung einer Legierung basiert, die durch Zugabe eines Metalls wie z. B. Au und N1 ohne katalytische Eigenschaft zu einem Edelmetall wie z. B. Pt, Pd und Rh erhalten wird.
Die dritte innere Pumpelektrode 54 im dritten Innenraum 24 besteht günstigerweise aus einer Cermetelektrode von Rh, Pt o. dgl., die die Messgaskomponente (NOx) in der Atmosphäre bei der Umgebungstemperatur und dem Sauerstoff-Partialdruck im dritten Innenraum 24 reduzieren oder abbauen kann.
Natürlich können als dritte innere Pumpelektrode 54 jene verwendet werden, die man erhält, indem man auf einer herkömmlichen Elektrode eine Rh- oder Pt-Elektrode oder einen Katalysator anordnet, umfassend ein NOx-reduzierendes Metall, das auf einem porösen Keramikmaterial wie z. B. Aluminiumoxid getragen wird; außerdem eignen sich jene, die durch Anordnen einer Rh-Katalysatorelektrode auf einer Pt-Elektrode erhalten werden.
Wie oben beschrieben, bestehen die jeweiligen Elektroden im Gassensor gemäß der ersten Ausführungsform, insbesondere die innere Pumpelektrode und die Messelektrode im Innenraum, günstigerweise aus Cermet, das ein Elektrodenmetall und eine geeignete Keramik umfasst. Wenn die dritte innere Pumpelektrode, die auch als NOx- Reduktionskatalysator dient, verwendet wird, besteht sie günstigerweise aus einer porösen Cermetelektrode, umfassed eine Keramik und ein Metall wie z. B. Rh und Pt, die NOx reduzieren können.
Der NOx-Reduktionskatalysator kann angrenzend an die dritte innere Pumpelektrode 54 der dritten elektrochemischen Pumpzelle 58 angeordnet sein, um Sauerstoff in den dritten Innenraum 24 hinauszupumpen. Alternativ dazu kann eine NOx-Reduktions- Katalysatorschicht auf der Elektrode ausgebildet werden, indem z. B. poröses Aluminiumoxid, das einen NOx-Beduktionskatalysator aus Rh o. dgl. trägt, auf die dritte innere Pumpelektrode 54 mittels Drucken o. dgl. aufgebracht wird.
Es folgt eine Beschreibung einer modifizierten Ausführungsform des Gassensors gemäß der ersten Ausführungsform unter Bezugnahme auf Fig. 4. Die den in Fig. 1 entsprechenden Komponenten oder Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen, wobei eine weitere Erklärung deswegen entfällt.
Der Gassensor gemäß der modifizierten Ausführungsform ist in etwa der gleichen Weise wie der Gassensor gemäß der ersten Ausführungsform aufgebaut. Der erstere unterscheidet sich allerdings insofern vom letzteren, als eine dritte elektrochemische Sensorzelle 70 statt der dritten elektrochemischen Pumpzelle 58 vorgesehen ist.
Die dritte elektrochemische Sensorzelle 70 umfasst eine dritte Messelektrode 72, die auf einem Teil der oberen Fläche der ersten Trockenelektrolytschicht 10d zur Ausbildung des dritten Innenraums 24 ausgebildet ist, eine dritte Referenzelektrode 74 auf einem Teil der unteren Fläche der ersten Trockenelektrolytschicht 10d, wobei der Teil gegenüber dem Referenzgas-Einleitungsraum 12 freiliegt und mit der dritten Messelektrode 72 korrespondiert, und die erste Trockenelektrolytschicht 10d.
In dieser modifizierten Ausführungsform wird elektromotorische Kraft, die mit der Differenz der Sauerstoffkonzentration zwischen der Atmosphäre um die dritte Messelektrode 72 und der Atmosphäre um die dritte Referenzelektrode 74 korrespondiert, zwischen der dritten Messelektrode 72 und der dritten Referenzelektrode 74 der dritten elektrochemischen Sensorzelle 70 erzeugt.
Wenn demnach die zwischen den jeweiligen Elektroden 72, 74 entstehende elektromotorische Kraft mittels des Spannungsmessers V3 gemessen wird, wird der Sauerstoff-Partialdruck in der Atmosphäre um die dritte Messelektrode 72, d. h. der Sauerstoff-Partialdruck, der durch Sauerstoff definiert ist, der durch Reduktion oder Abbau der Messgaskomponente (NOx) produziert wird, als Spannungswert detektiert.
Man nimmt an, dass die NO-Konzentration von NOx als Messgaskomponente 0 ppm beträgt. Wenn die Sauerstoffkonzentration in der Atmosphäre im ersten Innenraum 20 auf einem Wert von atm (korrespondiert mit der Pumpspannung von 300 mV in der ersten elektrochemischen Pumpzelle 30) gehalten wird, beträgt auch die Sauerstoffkonzentration in der Atmosphäre im dritten Innenraum 24 107 atm und die elektromotorische Kraft zwischen der dritten Messelektrode 72 und der dritten Referenzelektrode 74 300 mV, falls Sauerstoff in der Atmosphäre im dritten Innenraum 24 nicht der Pumpwirkung ausgesetzt ist.
Man nimmt beispielsweise an, dass NO im Messgas in einer Menge von 10 ppm vorhanden ist. Die dritte Messelektrode 72 dient auch als NOx-Reduktionskatalysator - in gleicher Weise wie die dritte innere Pumpelektrode 54 der dritten elektrochemischen Pumpzelle 58 (siehe Fig. 1). Demzufolge wird die NO-Reduktions- oder Abbaureaktion auf der dritten Messelektrode 72 hervorgerufen, und die Sauerstoffkonzentration in der Atmosphäre um die dritte Messelektrode 72 nimmt zu. Somit sinkt die elektromotorische Kraft, die zwischen der dritten Messelektrode 72 und der dritten Referenzelektrode 74 erzeugt wird. Das Ausmaß des Absinkens der elektromotorischen Kraft stellt die NO-Konzentration dar.
Die elektromotorische Kraft, die von der dritten elektrochemischen Sensorzelle 70 abgegeben wird, die aus der dritten Messelektrode 72, der dritten Bezugselektrode 74 und der ersten Trockenelektrolytschicht 10d besteht, stellt die NO-Konzentration im Messgas dar.
In Fig. 5 sieht man einen Gassensor gemäß Beispiel 2, der in gleicher Weise wie der Gassensor gemäß der modifizierten Ausführungsform aufgebaut ist, und einen Gassensor gemäß dem Vergleichsbeispiel, der ohne zweiten Innenraum 22, zweite elektrochemische Pumpzelle 44 und zweite elektrochemische Sensorzelle 52 auskommt. Fig. 5 zeigt die Änderung der elektromotorischen Kraft, die aus der dritten elektrochemischen Sensorzelle 70 erzeugt wird; sie wird erhalten, wenn die Gasgrundkomponenten auf einem N&sub2;-O&sub2;-H&sub2;O-System basierten und sich die Sauerstoffkonzentration im Messgas zwischen 0 und 20% änderte. Die NO- Komponente war im Messgas nicht enthalten, um die Änderung der elektromotorischen Kraft präzise zu messen, wenn nur die Sauerstoffkonzentration im Messgas geändert war.
In Fig. 5 ist eine in Beispiel 2 erhaltene charakteristische Kurve durch eine durchgehende Linie dargestellt, eine im Vergleichsbeispiel erhaltene Kurve durch eine strichlierte Linie. In Beispiel 2 besaß die erste elektrochemische Pumpzelle 30 eine Pumpspannung von 300 mV, die zweite elektrochemische Pumpzelle 44 besaß eine Pumpspannung von 430 mV. Im Vergleichsbeispiel besaß die erste elektrochemische Pumpzelle 30 eine Pumpspannung von 430 mV.
Wie anhand der Ergebnisse von Fig. 5 ersichtlich ist, nahm im Vergleichsbeispiel die elektromotorische Kraft mit steigender Sauerstoffkonzentration im Messgas ab. Wenn beispielsweise die Sauerstoffkonzentration 0% betrug, war die elektromotorische Kraft 430 mV. Wenn die Sauerstoffkonzentration 20% betrug, war die elektromotorische Kraft 280 mV, woraus sich eine deutliche Veränderung von 150 mV ergibt. Man beachte daher, dass es im Vergleichsbeispiel schwierig ist, die NO-Konzentration anhand der elektromotorischen Kraft der dritten elektrochemischen Sensorzelle 70 präzise zu bestimmen.
Aus Beispiel 2 hingegen ist Folgendes ersichtlich: Selbst wenn die Sauerstoffkonzentration im Messgas in einem Bereich von 0 bis 20% schwankte, änderte sich die aus der dritten elektrochemischen Sensorzelle 70 erzeugte elektromotorische Kraft kaum - dies war auf die Pumpleistung der zweiten elektrochemischen Pumpzelle 44 zurückzuführen. Wenn demnach die NO- Komponente im Messgas enthalten ist, wird die mit der NO-Menge korrespondierende elektromotorische Kraft zwischen der dritten Messelektrode 72 und der dritten Referenzelektrode 74 zur Ausbildung der dritten elektrochemischen Sensorzelle 70 erzeugt. Eine präzise NO-Menge kann durch Detektieren der erzeugten elektromotorischen Kraft ermittelt werden.
Als nächstes wird der Gassensor gemäß einer zweiten Ausführungsform unter Bezugnahme auf Fig. 6 und 7 beschrieben. Komponenten oder Teile, die den in Fig. 1 gezeigten entsprechen, sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen, und eine erneute Erklärung entfällt deswegen.
Wie aus Fig. 6 ersichtlich, ist der Gassensor gemäß der zweiten Ausführungsform etwa in gleicher Weise wie die modifizierte Ausführungsform des Gassensors gemäß der ersten Ausführungsform aufgebaut. Der erstere unterscheidet sich aber insofern vom letzeren, als der zweite Innenraum 22 und der dritte Innenraum 24 zu einem kombinierten Innenraum 80 zusammengefasst sind, der aus einem flachen Raum mit etwa rechteckiger planarer Konfiguration besteht. Der kombinierte Innenraum 80 ist in die untere Fläche der zweiten Trockenelektrolytschicht 10f, die Seitenfläche des zweiten Diffusionsraten-Bestimmungsabschnitt 16, Seitenflächen der zweiten Abstandhalterschicht 10e und die obere Fläche der ersten Trockenelektrolytschicht 10d unterteilt.
Eine zweite innere Pumpelektrode 40 mit etwa rechteckiger planarer Konfiguration, bestehend aus einer porösen Cermetelektrode, ist auf dem gesamten Oberflächenabschnitt der unteren Fläche der zweiten Trockenelektrolytschicht 10f zur Ausbildung des kombinierten Innenraums 80 ausgebildet. Eine zweite Messelektrode 48 mit etwa rechteckiger planarer Konfiguration, bestehend aus einer porösen Cermetelektrode, ist auf einem Teil der oberen Fläche der ersten Trockenelektrolytschicht 10d zur Ausbildung des kombinierten Innenraums 80 ausgebildet, wobei der Teil vom zweiten Diffusionsraten-Bestimmungsabschnitt 16 getrennt ist.
Eine dritte Messelektrode 72 mit etwa rechteckiger planarer Konfiguration, bestehend aus einer porösen Cermetelektrode, ist auf einem Teil der oberen Fläche der ersten Trockenelektrolytschicht 10d zur Ausbildung des kombinierten Innenraums 80 ausgebildet, wobei die zweite Messelektrode 48 nicht auf dem Abschnitt ausgebildet ist.
Ein Aluminiumoxidfilm für den Aufbau des dritten Diffusionsraten- Bestimmungsabschnitts 18 ist so ausgebildet, dass die dritte Messelektrode 72 damit bedeckt ist.
Im Gassensor gemäß der zweiten Ausführungsform ist die äußere Pumpelektrode 82, die üblicherweise als erste äußere Pumpelektrode 28 und zweite äußere Pumpelektrode 42 dient (siehe Fig. 1), auf einem fortlaufenden Abschnitt der oberen Fläche der zweiten Trockenelektrolytschicht 10f ausgebildet, wobei der Abschnitt vom ersten Innenraum 20 bis zum kombinierten Innenraum 80 reicht. Eine gemeinsame Referenzelektrode 84, die üblicherweise als erste Referenzelektrode 36, zweite Referenzelektrode 50 und dritte Referenzelektrode 74 dient (siehe Fig. 4), ist auf einem fortlaufenden Abschnitt der unteren Fläche der ersten Trockenelektrolytschicht 10d ausgebildet, wobei der Abschnitt gegenüber dem Referenzgas-Einleitungsraum 12 freiliegt und vom ersten Innenraum 20 bis zum kombinierten Innenraum 80 reicht.
Im Gassensor gemäß der zweiten Ausführungsform besteht eine erste elektrochemische Pumpzelle 30 aus der äußeren Pumpelektrode 82, die auf der oberen Fläche der zweiten Trockenelektrolytschicht 10f ausgebildet ist, der ersten inneren Pumpelektrode 26, die im ersten Innenraum 20 ausgebildet ist, und der zweiten Trockenelektrolytschicht 10f. Eine erste elektrochemische Sensorzelle 38 besteht aus der gemeinsamen Referenzelektrode 84, die auf der unteren Fläche der ersten Trockenelektrolytschicht 10d ausgebildet ist, der ersten Messelektrode 34, die im ersten Innenraum 20 ausgebildet ist, und der ersten Trockenelektrolytschicht 10d. Eine zweite elektrochemische Pumpzelle 44 besteht aus der äußeren Pumpelektrode 82, die auf der oberen Fläche der zweiten Trockenelektrolytschicht 10f ausgebildet ist, der zweiten inneren Pumpelektrode 40, die im kombinierten Innenraum 80 ausgebildet ist, und der zweiten Trockenelektrolytschicht 10f. Eine zweite elektrochemische Sensorzelle 52 besteht aus der gemeinsamen Referenzelektrode 84, die auf der unteren Fläche der ersten Trockenelektrolytschicht 10d ausgebildet ist, der zweiten Messelektrode 48, die im kombinierten Innenraum 80 ausgebildet ist, und der ersten Trockenelektrolytschicht Jod. Eine dritte elektrochemische Sensorzelle 70 besteht aus der gemeinsamen Referenzelektrode 84, die auf der unteren Fläche der ersten Trockenelektrolytschicht 10d ausgebildet ist, der dritten Messelektrode 72, die im kombinierten Innenraum 80 angeordnet ist, und der ersten Trockenelektrolytschicht 10d.
Wie aus Fig. 7 ersichtlich, ist der Gassensor gemäß der zweiten Ausführungsform wie folgt aufgebaut. Die zweite Messelektrode 48 und die dritte Messelektrode 72 sind parallel zueinander im kombinierten Innenraum 80 angeordnet. Die zweite Messelektrode 48 und die dritte Messelektrode 72 sind an Positionen angrenzend zueinander angeordnet.
Als nächstes wird die Funktionsweise des Gassensors gemäß der zweiten Ausführungsform besprochen. Zunächst wird das im Außenraum befindliche Messgas unter vorbestimmtem Diffusionswiderstand über den ersten Diffusionsraten- Bestimmungsabschnitt 14 in den ersten Innenraum 20 eingeleitet. Das in den ersten Innenraum 20 eingeleitete Messgas ist mittels der Pumpleistung der ersten elektrochemischen Pumpzelle 30 eingestellt, eine vorbestimmte Sauerstoffkonzentration aufzuweisen.
Das Gas, das mittels der ersten elektrochemischen Pumpzelle 30 eingestellt wurde, eine vorbestimmte Sauerstoffkonzentration aufzuweisen, wird unter vorbestimmtem Diffusionswiderstand über den zweiten Diffusionsraten-Bestimmungsabschnitt 16 in den kombinierten Innenraum 80 geleitet. Das in den kombinierten Innenraum 80 geleitete Gas ist mittels der Pumpleistung der zweiten elektrochemischen Pumpzelle 44 feineingestellt, eine vorbestimmte Sauerstoffkonzentration aufzuweisen.
Das Gas, das mittels der zweiten elektrochemischen Pumpzelle 44 feineingestellt wurde, eine vorbestimmte Sauerstoffkonzentration aufzuweisen, wird unter vorbestimmtem Diffusionswiderstand über den dritten Diffusionsraten- Bestimmungsabschnitt 18 im gleichen kombinierten Innenraum 80 in die dritte elektrochemische Pumpzelle 58 eingeleitet.
In dieser Ausführungsform wird eine elektromotorische Kraft, die mit der Differenz der Sauerstoffkonzentration zwischen der Atmosphäre um die dritte Messelektrode 72 und der Atmosphäre um die gemeinsame Referenzelektrode 84 korrespondiert, zwischen der dritten Messelektrode 72 und der gemeinsamen Referenzelektrode 84 der dritten elektrochemischen Sensorzelle 70 erzeugt.
Daher wird der Sauerstoff-Partialdruck in der Atmosphäre um die dritte Messelektrode 72, d. h. der Sauerstoff-Partialdruck, der durch Sauerstoff definiert ist, der durch die Reduktion oder den Abbau der Messgaskomponente (NOx) erzeugt wird, als Spannungswert detektiert, indem die elektromotorische Kraft, die zwischen den jeweiligen Elektroden 72, 84 entsteht, mittels der Spannungsmessvorrichtung V3 gemessen wird.
Diese Ausführungsform ermöglicht es, störende Einflüsse infolge schwankender Sauerstoffkonzentration im Abgas auf die Detektionsempfindlichkeit hinsichtlich der Menge der bestimmten Gaskomponente zu vermeiden und die Messgenauigkeit für die Messgaskomponente zu verbessern (so wie dies in der modifizierten Ausführungsform des Gassensors der ersten Ausführungsform erfolgt).
Wie aus Fig. 7 ersichtlich, ist der Gassensor der zweiten Ausführungsform wie folgt aufgebaut. Die zweite Messelektrode 48 und die dritte Messelektrode 72, die sich im kombinierten innenraum 80 befinden, sind parallel zueinander angeordnet; die zweite Messelektrode 48 und die dritte Messelektrode 72 sind angrenzend aneinander positioniert. Demzufolge kann die Sauerstoffkonzentration in der Nähe der zweiten Messelektrode 48 präziser gesteuert werden. Sogar wenn die dritte elektrochemische Sensorzelle 70 im kombinierten Innenraum 80 vorgesehen ist, kann die Menge der im Messgas bestehenden bestimmten Komponente präzise gemessen werden.
Es ist nicht erforderlich, dass der Gassensor der zweiten Ausführungsform einen neuen Innenraum (den dritten Innenraum 24 in der ersten Ausführungsform, siehe Fig. 1) zur Bildung der dritten elektrochemischen Sensorzelle 70 vorsieht. Daher kann man die gesamte Struktur des Gassensors verkleinern.
Im Gassensor gemäß der zweiten Ausführungsform sind die erste äußere Pumpelektrode 28 und die zweite äußere Pumpelektrode 42 des Gassensors der ersten Ausführungsform durch einen gemeinsamen Element der äußeren Pumpelektrode 82 ersetzt. Außerdem sind die erste Referenzelektrode 36, die zweite Referenzelektrode 50 und die dritte Referenzelektrode 74 des Gassensors der ersten Ausführungsform durch einem gemeinsamen Element der gemeinsamen Referenzelektrode 84 ersetzt. Es ist daher möglich, die Anzahl an nach außen führenden Anschlüssen gegenüber dem Gassensor der ersten Ausführungsform zu verringern. Auf diese Weise können die Verdrahtungsschritte und die Schaltungskonstruktion für die peripheren Schaltkreise vereinfacht werden.
Im Gassensor gemäß der zweiten Ausführungsform kann der dritte Diffusionsraten- Bestimmungsabschnitt 18 entfallen, indem die gegenseitige Anordnung der zweiten inneren Pumpelektrode 40 und der dritten Messelektrode 72 im kombinierten Innenraum 80 entsprechend abgestimmt wird. In einer solchen Anordnung ist es nicht erforderlich, den dritten Diffusionsraten-Bestimmungsabschnitt 18 so auszubilden, dass er die dritte Messelektrode 72 umgibt. Es ist auf diese Weise möglich, die Produktionsschritte zu vereinfachen.
Als nächstes folgt eine Erklärung des Gassensors einer dritten Ausführungsform unter Bezugnahme auf Fig. 8 und 9. Komponenten oder Teile, die den in Fig. 6 und 7 dargestellten entsprechen, sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher nicht noch einmal erläutert.
Wie aus Fig. 8 und 9 ersichtlich, ist der Gassensor der dritten Ausführungsform etwa in gleicher Weise aufgebaut wie der Gassensor der zweiten Ausführungsform. Der erstere unterscheidet sich aber insofern vom letzteren, als eine dritte elektrochemische Pumpzelle 58 anstelle der dritten elektrochemischen Sensorzelle 70 vorgesehen ist.
Genauer gesagt ist eine zweite Messelektrode 48 der zweiten elektrochemischen Sensorzelle 52 auf einem Teil der unteren Fläche der zweiten Trockenelektrolytschicht 10f zur Ausbildung des kombinierten Innenraums 80 ausgebildet, wobei der Teil vom zweiten Diffusionsraten-Bestimmungsabschnitt 16 getrennt ist. Die dritte innere Pumpelektrode 54 der dritten elektrochemischen Pumpzelle 58 ist an einer Position auf der oberen Fläche der ersten Trockenelektrolytschicht 10d zur Ausbildung des kombinierten Innenraums 80 ausgebildet, wobei diese Position der zweiten Messelektrode 48 gegenüberliegt.
Es folgt eine kurze Erklärung der Funktionsweise des Gassensors gemäß der dritten Ausführungsform. Die dritte elektrochemische Pumpzelle 58 wird betrieben, so dass die Komponente mit gebundenem Sauerstoff im eingeleiteten Messgas reduziert oder abgebaut wird und der durch Reduktion oder Abbau produzierte Sauerstoff hinausgepumpt wird.
Ein Pumpstrom, der in Einklang mit der Pumpleistung (Hinauspumpen von Sauerstoff) der dritten elektrochemischen Pumpzelle 58 fließen kann, wird durch die Strommessvorrichtung Ip detektiert, um einen Stromwert zu erhalten. Die Menge der bestimmten Komponente im Messgas wird auf der Basis des Stromwerts ermittelt.
Wenn sich die Sauerstoffkonzentration im Messgas deutlich verändert (in einem Bereich von 0 bis 20%), während der obige Vorgang durchgeführt wird, kommt es auch zu einer deutlichen Änderung der Verteilung der Sauerstoffkonzentration im in den ersten Innenraum 20 eingeleiteten Messgas, und auch die Menge des in den kombinierten Innenraum 80 eingeleiteten Sauerstoffs ändert sich.
Die Konzentration des in den kombinierten Innenraum 80 eingeleiteten Sauerstoffs wird durch die zweite elektrochemische Pumpzelle 44 feineingestellt. Aufgrund der Pumpleistung der ersten elektrochemischen Pumpzelle 30 im ersten Innenraum 20 jedoch ist die Änderung der Konzentration des in den Innenraum 80 eingeleiteten Sauerstoffs im Vergleich zur Änderung der Sauerstoffkonzentration im in den ersten Innenraum 20 eingeleiteten Messgas stark eingeschränkt. Deshalb ist es möglich, die Sauerstoffkonzentration im kombinierten Innenraum 80 präzise auf konstantem Wert zu halten.
In dieser Ausführungsform wird der Pumpvorgang der zweiten elektrochemischen Pumpzelle 44 auf der Basis der zweiten elektrochemischen Sensorzelle 52 im kombinierten Innenraum 80 einer Rückkopplungs-Regelung unterzogen. Daher ist es möglich, die Sauerstoffkonzentration im kombinierten Innenraum 80 präziser zu steuern.
Wie oben beschrieben, wird die Sauerstoffkonzentration im kombinierten Innenraum 80 präzise auf konstantem Wert gehalten. Deshalb wird die Konzentration des in die dritte elektrochemische Pumpzelle 58 eingeleiteten Sauerstoffs kaum durch die Schwankung der Sauerstoffkonzentration im in den ersten Innenraum 20 eingeleiteten Messgas beeinflusst. In der Folge wird der Pumpstromwert, der durch die Strommessvorrichtung Ip je nach dem Hinauspumpen des Sauerstoffs durch die dritte elektrochemische Pumpzelle 58 detektiert wird, durch die Konzentrationsschwankung des Sauerstoffs im Messgas nicht beeinflusst. Der Pumpstromwert ist ein Wert, der exakt mit der Menge der zu bestimmenden Komponente im Messgas korrespondiert.
Der Gassensor gemäß der dritten Ausführungsform ermöglicht es, störende Einflüsse aufgrund der Änderung der Sauerstoffkonzentration im Abgas auf die Detektionsempfindlichkeit hinsichtlich der Menge der zu bestimmenden Komponente im Messgas zu vermeiden und die Messgenauigkeit für die Messgaskomponente zu verbessern.
Es ist nicht erforderlich, einen neuen Innenraum (den dritten Innenraum 24 in der ersten Ausführungsform) für die dritte elektrochemische Pumpzelle 58 bereitzustellen. Daher kann man die gesamte Struktur des Gassensors verkleinern. Außerdem sind die erste äußere Pumpelektrode 28 und die zweite äußere Pumpelektrode 42 des Gassensors der ersten Ausführungsform durch ein gemeinsames Element der äußeren Pumpelektrode 82 ersetzt. Die erste Referenzelektrode 36, die zweite Referenzelektrode 50 und die dritte äußere Pumpelektrode 56 des Gassensors gemäß der ersten Ausführungsform sind mit einem gemeinsamen Element der gemeinsamen Referenzelektrode 84 ersetzt. Es ist deshalb möglich, die Anzahl der nach außen führenden Anschlüsse im Vergleich zum Gassensor der ersten Ausführungsform zu verringern; ferner können die Verdrahtungsschritte und die Schaltungskonstruktion für die peripheren Schaltkreise vereinfacht werden.
Im Gassensor der dritten Ausführungsform sind die zweite Messelektrode 48 und die dritte innere Pumpelektrode 54 im kombinierten Innenraum 80 einander gegenüberliegend angeordnet. Somit liegt eine gegenseitige Anordnung vor, in der die zweite Messelektrode 48 kaum durch die dritte innere Pumpelektrode 54 beeinflusst wird, wenn die Konzentration der Messgaskomponente auf der Basis des Pumpstroms gemessen wird. Sogar wenn daher die dritte elektrochemische Pumpzelle 58 im kombinierten Innenraum 80 vorgesehen ist, kann die Menge der zu bestimmenden Komponente im Messgas präzise gemessen werden.
Es folgt eine Erklärung des Gassensors gemäß einer vierten Ausführungsform unter Bezugnahme auf Fig. 10 und 11. Komponenten oder Teile, die mit jenen in Fig. 6 und 7 korrespondieren, sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden nicht noch einmal erläutert.
Der Gassensor der vierten Ausführungsform ist in etwa in der gleichen Weise wie der Gassensor der dritten Ausführungsform aufgebaut. Die erstere unterscheidet sich aber insofern von der letzteren, als die erste innere Pumpelektrode 26 der ersten elektrochemischen Pumpzelle 30 auch als erste Messelektrode 34 (siehe Fig. 8) der ersten elektrochemischen Sensorzelle 38 dient und die zweite innere Pumpelektrode 40 der zweiten elektrochemischen Pumpzelle 44 auch als zweite Messelektrode 48 (siehe Fig. 8) der zweiten elektrochemischen Sensorzelle 52 dient.
Konkret ist der Gassensor der vierten Ausführungsform wie folgt ausgelegt. Eine variable Spannungsquelle 32 ist zwischen eine äußere Pumpelektrode 82, ausgebildet auf der oberen Fläche der zweiten Trockenelektrolytschicht 10f, und eine erste inneren Pumpelektrode 26, ausgebildet auf dem gesamten Oberflächenabschnitt der unteren Fläche der zweiten Trockenelektrolytschicht 10f zur Ausbildung des ersten Innenraums 20, geschaltet. Ein Spannungsmesser VI ist zwischen die erste Pumpelektrode 26 und eine gemeinsame Referenzelektrode 84, ausgebildet auf der unteren Fläche der ersten Trockenelektrolytschicht 10d, geschaltet. Eine variable Spannungsquelle 46 ist zwischen die äußere Pumpelektrode 82 und eine zweiten innere Pumpelektrode 40, ausgebildet auf dem gesamten Oberflächenabschnitt der unteren Fläche der zweiten Trockenelektrolytschicht 10f zur Ausbildung des kombinierten Innenraums 80, geschaltet. Der Spannungsmesser V2 ist zwischen die innere Pumpelektrode 40 und die gemeinsame Referenzelektrode 84 geschaltet.
Es folgt eine Erklärung der Funktionsweise des Sensors der vierten Ausführungsform. Zunächst wird das Messgas in den ersten Innenraum 20 eingeleitet. In diesem Zustand misst der Spannungsmesser V1 eine Klemmenspannung zwischen der ersten inneren Pumpelektrode 26 der ersten elektrochemischen Pumpzelle 30 und der gemeinsamen Referenzelektrode 84 auf der Seite des Referenzgas-Einleitungsraums 12. Die variable Spannungsquelle 32 wird auf der Basis der gemessenen Spannung einer Rückkopplungs- Regelung unterworfen. Der von der ersten elektrochemischen Pumpzelle 30 durchgeführte Pumpvorgang wird daher solcherart gesteuert, dass der Sauerstoff- Partialdruck in der Atmosphäre im ersten Innenraum 20 einen vorbestimmten Wert besitzt, der ausreichend niedrig ist, um den Sauerstoff-Partialdruck im nächsten kombinierten Innenraum 80 zu regeln.
In dieser Ausführungsform ist die gemessene Spannung, detektiert durch den Spannungsmesser V1 für die erste elektrochemische Sensorzelle 38, die Klemmenspannung zwischen der ersten inneren Pumpelektrode 26 der ersten elektrochemischen Pumpzelle 30 und der gemeinsamen Referenzelektrode 84 im Referenzgas-Einleitungsraum 12. Wenn sich demnach die Menge des durch die erste elektrochemische Pumpzelle 30 hinausgepumpten Sauerstoffs ändert und sich auch die Sauerstoffkonzentration in der Atmosphäre im ersten Innenraum 20 ändert, ändert sich die Klemmenspannung zwischen der ersten inneren Pumpelektrode 26 der ersten elektrochemischen Pumpzelle 30 und der gemeinsamen Referenzelektrode 84 ohne jegliche Zeitverzögerung. Daher tritt kein Schwingungsphänomen im Rückkopplungs- Regelungssystem für die variable Spannnungsquelle 32 auf, und man kann die Sauerstoffkonzentration im ersten Innenraum 20 sehr präzise steuern.
Ein solcher Vorteil lässt sich auch in der Rückkopplungs-Regelung für die variable Spannungsquelle 46 für die zweite elektrochemische Pumpzelle 44 erzielen. Der Spannungsmesser V2 misst die Klemmenspannung zwischen der zweiten inneren Pumpelektrode 40 der zweiten elektrochemischen Pumpzelle 44 und der gemeinsamen Referenzelektrode 84, die auf der Seite des Referenzgas-Einleitungsraums 12 ausgebildet ist. Die variable Stromquelle 46 unterliegt auf der Basis der gemessenen Spannung der Rückkopplungs-Regelung. Demzufolge wird der durch die zweite elektrochemische Pumpzelle 44 durchgeführte Pumpvorgang solcherart reguliert, dass der Sauerstoff- Partialdruck in der Atmosphäre im kombinierten Innenraum 80 einen niedrigen Wert aufweist, bei dem die Messung der Menge der zu bestimmenden Komponente unter Bedingungen, unter denen die Messgaskomponente (NOx) im Wesentlichen nicht reduziert oder abgebaut wird, nicht stark beeinträchtigt wird.
In dieser Ausführungsform ist die durch den Spannungsmesser V2 für die zweite elektrochemische Sensorzelle 52 detektierte Spannung die Klemmenspannung zwischen der zweiten inneren Pumpelektrode 40 der zweiten elektrochemischen Pumpzelle 44 und der gemeinsamen Referenzelektrode 84, die sich im Referenzgas-Einleitungsraum befindet. Wenn sich daher die durch die zweite elektrochemische Pumpzelle 44 hinausgepumpte Sauerstoffmenge ebenso wie die Sauerstoffkonzentration in der Atmosphäre im kombinierten Innenraum 80 ändert, ändert sich auch die Klemmenspannung zwischen der zweiten inneren Pumpelektrode 40 der zweiten elektrochemischen Pumpzelle 44 und der gemeinsamen Referenzelektrode 84 ohne jegliche Zeitverzögerung. Es tritt daher kein Schwingungsphänomen im Rückkopplungs- Regelungssystem für die variable Stromquelle 46 auf, und es ist möglich, die Sauerstoffkonzentration im kombinierten Innenraum 80 präzise zu steuern.
Der Gassensor gemäß der vierten Ausführungsform ermöglicht es, störende Einflüsse infolge schwankender Sauerstoffkonzentration im Abgas auf die Detektionsempfindlichkeit hinsichtlich der Menge der zu bestimmenden Gaskomponente zu vermeiden und die Messgenauigkeit für die Messgaskomponente zu verbessern (so wie dies in der modifizierten Ausführungsform des Gassensors der dritten Ausführungsform erfolgt). Außerdem kann man die gesamte Struktur des Gassensors verkleinern, und es ist überdies möglich, die Verdrahtungsschritte und die Schaltungskonstruktion für die peripheren Schaltkreise zu vereinfachen.
Im Gassensor der vierten Ausführungsform ist es nicht erforderlich, eine breite Fläche zur Ausbildung der Elektrode im ersten Innenraum 20 und im kombinierten innenraum 80 vorzusehen. Daher kann die Struktur des Gassensors verkleinert werden. Wenn der Gassensor ausgelegt ist, identische Größe aufzuweisen, ist es möglich, ein großes Volumen für den ersten Innenraum 20 bereitzustellen. Demzufolge kann die Pumpleistung der elektrochemischen Pumpzelle 30 gesteigert und die Sauerstoffkonzentration im kombinierten Innenraum 80 mit höherer Präzision feineingestellt werden.
Die erste innere Pumpelektrode 26 und die erste Messelektrode 34 (siehe Fig. 8) sind als gemeinsame Elektrode vorgesehen; die zweite innere Pumpelektrode 40 und die zweite Messelektrode 48 (siehe Fig. 8) sind ebenfalls als gemeinsame Elektrode vorgesehen. Wenn sich demnach die Menge des durch die erste elektrochemische Pumpzelle 30 für den ersten Innenraum 20 hinausgepumpten Sauerstoffs ebenso ändert wie die Sauerstoffkonzentration im ersten Innenraum 20, ändert sich auch die durch die erste elektrochemische Sensorzelle 38 erhaltene gemessene Spannung ohne jegliche Zeitverzögerung. Es ist daher möglich, ohne jede Schwingung die Rückkopplungs- Regelung für die erste elektrochemische Pumpzelle 30 durch die erste elektrochemische Sensorzelle 38 in geeigneter Weise durchzuführen. Ein solcher Vorteil lässt sich auch in der Rückkopplungs-Regelung erzielen, die durch die zweite elektrochemische Sensorzelle 52 für die zweite elektrochemische Pumpzelle 44 im kombinierten Innenraum 80 durchgeführt wird.
Die zu bestimmende Messgaskomponente ist im Fall der Gassensoren der ersten bis vierten Ausführungsform NOx. Die Erfindung ist allerdings auch auf die Messung anderer gebundener sauerstoffhältiger Gaskomponenten als NOx anwendbar, z. B. H&sub2;O und CO&sub2;, die durch im Messgas vorhandenen Sauerstoff beeinflusst werden können.

Claims

1. Gassensor zum Bestimmen einer Menge einer bestimmten Komponente in einem Messgas durch Reduzieren oder Abbauen der Komponente mit gebundenem Sauerstoff im Messgas und zum Messen einer Sauerstoffmenge, die während der Reduktion oder des Abbaus erzeugt wird, wobei der Gassensor umfasst:

Substrate (10a bis 10f), die aus Trockenelektrolyten bestehen;

einen ersten Diffusionsraten-Bestimmungsabschnitt (14) zum Einleiten des Messgases unter einem vorbestimmten Diffusionswiderstand;

einen ersten Innenraum (20) zur Herstellung einer Verbindung mit einer Atmosphäre des Messgases über den ersten Diffusionsraten-Bestimmungsabschnitt (14);

eine erste elektrochemische Pumpzelle (30), die den Trockenelektrolyten (10f) zur Ausbildung des ersten Innenraums (20) und ein Paar erster Pumpelektroden (26, 28) umfasst, die in Kontakt mit diesem sind;

eine erste elektrochemische Sensorzelle (38), die den Trockenelektrolyten (10d) zur Ausbildung des ersten Innenraums (20) und ein Paar erster Messelektroden (34, 36) umfasst, die in Kontakt mit diesem sind;

einen zweiten Diffusionsraten-Bestimmungsabschnitt (16), um das Gas, das so eingestellt ist, dass es eine vorbestimmte Sauerstoffkonzentration aufweist, unter einem vorbestimmten Diffusionswiderstand in den ersten Innenraum (20) einzuleiten;

einen zweiten Innenraum (22 oder 80) zur Herstellung einer Verbindung mit der Atmosphäre des Messgases über den zweiten Diffusionsraten-Bestimmungsabschnitt (16);

eine zweite elektrochemische Pumpzelle (44), die den Trockenelektrolyten (10f) zur Ausbildung des zweiten Innenraums (22 oder 80) und ein Paar zweiter Pumpelektroden (40, 42) umfasst, die in Kontakt mit diesem sind;

eine zweite elektrochemische Sensorzelle (52), die den Trockenelektrolyten (10d) zur Ausbildung des zweiten Innenraums (22 oder 80) und ein Paar zweiter Messelektroden (48, 50) umfasst, die in Kontakt mit diesem sind;

einen dritten Diffusionsraten-Bestimmungsabschnitt (18), um das Gas, das so eingestellt ist, dass es eine vorbestimmte Sauerstoffkonzentration aufweist, unter einem vorbestimmten Diffusionswiderstand in den zweiten Innenraum (22 oder 80) einzuleiten;

eine dritte elektrochemische Pumpzelle (58) zum Herauspumpen von Sauerstoff, der durch die Reduktion oder den Abbau der Komponente mit gebundenem Sauerstoff im Messgas erzeugt wird, das über den dritten Diffusionsraten-Bestimmungsabschnitt (18) eingeleitet wird; und

ein Stromdetektionsmittel (Ip) zum Detektieren eines Pumpstroms, der entsprechend dem Betrieb der dritten elektrochemischen Pumpzelle (58) fließen kann.

2. Gassensor nach Anspruch 1, umfassend:

die zweite elektrochemische Pumpzelle (44), die den Trockenelektrolyten (10f) zur Ausbildung des zweiten Innenraums (80) und das Paar zweiter Pumpelektroden (40, 82) umfasst, die in Kontakt mit diesem sind; und

die zweite elektrochemische Sensorzelle (52), die den Trockenelektrolyten (10d, 10e, 10f) zur Ausbildung des zweiten Innenraums (80) und das Paar zweiter Messelektroden (48, 84) umfasst, die in Kontakt mit diesem sind, worin:

die dritte elektrochemische Pumpzelle (58) den Trockenelektrolyten (10d) zur Ausbildung des zweiten Innenraums (80) und ein Paar dritter Pumpelektroden (54, 84) umfasst, die in Kontakt mit diesem sind.

3. Gassensor nach Anspruch 2, worin die für den zweiten Innenraum (80) vorgesehene zweite Messelektrode (48) und dritte Pumpelektrode (54) aus dem Paar zweiter Messelektroden (48, 84) und dem Paar dritter Pumpelektroden (54, 84) einander gegenüberliegend angeordnet sind.

4. Gassensor zum Bestimmen einer Menge einer bestimmten Komponente in einem Messgas durch Reduzieren oder Abbauen der Komponente mit gebundenem Sauerstoff im Messgas und zum Messen einer Sauerstoffmenge, die während der Reduktion oder des Abbaus erzeugt wird, wobei der Gassensor umfasst:

Substrate (10a bis 10f), die aus Trockenelektrolyten bestehen;

eine erste elektrochemische Sensorzelle (38), die den Trockenelektrolyten (10d) zur Ausbildung des ersten Innenraums (20) und ein Paar erster Messelekfroden (34, 36) umfasst, die in Kontakt mit diesem sind;

eine dritte elektrochemische Sensorzelle (70) zum Abgeben einer elektromotorischen Kraft, die einem Sauerstoffpartialdruck entspricht, der durch Sauerstoff definiert ist, der durch die Reduktion oder den Abbau der Komponente mit gebundenem Sauerstoff im Messgas erzeugt wird, das über den dritten Diffusionsraten-Bestimmungsabschnitt (18) eingeleitet wird; sowie

ein Spannungsdetektionsmittel (V3) zum Detektieren der elektromotorischen Kraft, die von der dritten elektrochemischen Sensorzelle (70) abgegeben wird.

5. Gassensor nach Anspruch 1 oder 8, weiters umfassend:

einen dritten Innenraum (24), der mit der Atmosphäre des Messgases über den dritten Diffusionsraten-Bestimmungsabschnitt (18) kommuniziert, worin:

die dritte elektrochemische Sensorzelle (70) den. Trockenelektrolyten (10d) zur Ausbildung des dritten Innenraums (24) und ein Paar dritter Pumpelektroden (72, 74) umfasst, die in Kontakt mit diesem sind.

6. Gassensor nach Anspruch 4, umfassend:

die zweite elektrochemische Sensorzelle (52), die den Trockenelektrolyten (10d) zur Ausbildung des zweiten Innenraums (80) und das Paar zweiter Messelektroden (48, 84) umfasst, die in Kontakt mit diesem sind, worin:

die dritte elektrochemische Sensorzelle (70) den Trockenelektrolyten (10d) zur Ausbildung des zweiten Innenraums (80) und ein Paar dritter Messelektroden (72, 84) umfasst, die in Kontakt mit diesem sind.

7. Gassensor nach Anspruch 6, worin die für den zweiten Innenraum (80) vorgesehene dritte Messelektrode (72) aus dem Paar dritter Messelektroden (72, 84) im zweiten Innenraum (80) ausgebildet ist.

8. Gassensor nach Anspruch 6, worin die für den zweiten Innenraum (80) vorgesehene zweite Messelektrode (48) und dritte Messelektrode (72) aus dem Paar zweiter Mess elektroden (48, 84) und dem Paar dritter Messelektroden (72, 84) parallel zueinander angeordnet sind.

9. Gassensor nach Anspruch 2 oder 6, worin die für den zweiten Innnenraum (80) vorgesehene zweite Pumpelektrode (40) und zweite Messelektrode (48) aus dem Paar zweiter Pumpelektroden (40, 82) und dem Paar zweiter Messelektroden (48, 84) zu einer gemeinsamen Elektrode kombiniert sind.

10. Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, worin ein Material, das eine verringerte Reduktionsfähigkeit oder keine Reduktionsfähigkeit für NO im Messgas aufweist, als Material für die erste Pumpelektrode (26) und die erste Messelektrode (34), die im ersten Innenraum (20) angeordnet ist, sowie für die zweite Pumpelektrode (40) und die zweite Messelektrode (48) verwendet wird, die im zweiten Innenraum (22 oder 80) angeordnet ist.

11. Gassensor nach Anspruch 10, worin ein Cermet aus Au und ZrO&sub2; oder ein Cermet aus Au, einer Legierung aus einem Element der Pt-Gruppe und ZrO&sub2; als Material mit verringerter Reduktionsfähigkeit oder ohne Reduktionsfähigkeit für NO im Messgas verwendet wird.