DE69723900T2

DE69723900T2 - Gassensor

Info

Publication number: DE69723900T2
Application number: DE69723900T
Authority: DE
Inventors: Nobuhide Ama-gun Kato; Kunihiko Nagoya-city Nakagaki
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1996-03-28
Filing date: 1997-03-26
Publication date: 2004-07-22
Anticipated expiration: 2017-03-27
Also published as: JPH09318597A; EP0798556A3; DE69723900D1; EP0798556B1; EP0798556A2; JP3631582B2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung:
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gassensor zum Messen von Oxiden, wie NO, NO₂, SO₂, CO₂ und H₂O, die beispielsweise in Atmosphärenluft und von Fahrzeugen oder Kraftfahrzeugen abgegebenem Abgas enthalten sind, sowie entflammbaren Gasen wie H₂, CO und Kohlenwasserstoff (CnHm). Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung einen Gassensor zum Messen von NO und NO₂.
Beschreibung des Standes der Technik:
Abgase, die beispielsweise aus Fahrzeugen oder Kraftfahrzeugen, wie benzinbetriebenen Kraftfahrzeugen und dieselbetriebenen Kraftfahrzeugen abgegeben werden, enthalten Stickstoffoxide (NO_x), wie Stickstoffmonoxid (NO) und Stickstoffdioxid (NO₂), sowie Kohlenmonoxid (CO), Kohlendioxid (CO₂), Wasser (H₂O), Kohlenwasserstoff (CnHm), Wasserstoff (H₂), Sauerstoff (O₂) usw. In einem solchen Abgas bestehen etwa 80% des gesamten NO_x in NO, und etwa 95 % des gesamten NO_x bestehen in NO und NO₂.
Der Dreiwegkatalysator, der verwendet wird, um in einem Abgas enthaltenes CnHm, CO und NO_x zu beseitigen, weist seine maximale Reinigungseffizienz in der Nähe des theoretischen Luft/Brennstoff-Verhältnisses (A/F = 14,6) auf. Wenn A/F so gesteuert wird, dass es nicht unter 16 liegt, nimmt die Menge an erzeugtem NO_x ab. Es wird jedoch die Reinigungseffizienz des Katalysators verringert, und folglich nimmt die Menge an abgegebenem NO_x tendenziell zu.
In letzter Zeit sind, um fossile Brennstoffe effizient zu nutzen und globale Erwärmung zu vermeiden, die Anforderungen an den Markt in Hinblick darauf gestiegen, beispielsweise die Abgabemenge an CO₂ zu verringern. Um einer solchen Anforderung zu entsprechen, wird es immer mehr notwendig, die Brennstoffeffizienz zu verbessern. Als Reaktion auf eine solche Anforderung werden beispielsweise der Motor mit magerer Verbrennung und der Katalysator zur Beseitigung von NO_x erforscht. Insbesondere nimmt die Notwendigkeit für einen NO_x-Sensor zu.
Als Instrument zum Detektieren von NO_x war bisher ein herkömmlicher NO_x-Sensor bekannt. Der herkömmliche NO_x-Sensor wird betrieben, um eine NO_x innewohnende Eigenschaft auf Basis des Einsatzes chemischer Lichtanalyse zu messen. Der herkömmliche NO_x-Analysator ist jedoch insofern unzweckmäßig, als das Instrument selbst extrem groß und teuer ist. Der herkömmliche NO_x-Analysator erfordert häufige Wartung, da optische Teile verwendet werden, um NO_x zu detektieren. Weiters sollte, wenn der herkömmliche NO_x-Analysator eingesetzt wird, irgendeine Probeentnahme erfolgen, um NO_x zu messen, und daher ist es unmöglich, ein Detektionselements selbst direkt in ein Fluid einzubringen. Daher eignet sich der herkömmliche NO_x-Analysator nicht zur Analyse vorübergehender Phänomene wie jener, die im aus einem Kfz abgegebenen Abgas auftreten, bei dem der Zustand häufig variiert.
Um die oben beschriebenen Nachteile zu beseitigen, ist bereits ein Sensor vorgeschlagen worden, bei dem eine erwünschte Gaskomponente in einem Abgas gemessen wird, indem ein Substrat verwendet wird, das einen Sauerstoffion-leitenden Trockenelektrolyten umfasst.
11 zeigt ein System eines Gasanalysators, das in der internationalen Veröffentlichung WO 95/30146 offenbart wird. Diese Vorrichtung umfasst eine erste Kammer 4, in die ein Messgas G, das NO enthält, durch ein enges Loch 2 eingeleitet wird, sowie eine zweite Kammer 8, in die das Messgas G aus der ersten Kammer 4 durch ein enges Loch 6 eingeleitet wird. Wandflächen zum Ausbilden der ersten und der zweiten Kammer 4, 8 bestehen aus Trennwänden 10a, 10b aus Zirkondioxid (ZrO₂), das fähig ist, ein Sauerstoffion durchzulassen. Ein Paar Messelektroden 12a, 12b und ein Paar Messelelektroden 14a, 14b zum Messen des Sauerstoff-Partialdrucks in den jeweiligen Kammern sind an Abschnitten einer ZrO₂-Trennwand 10a angeordnet, die der ersten bzw. der zweiten Kammer 4, 8 entsprechen. Ein Satz Pumpelelektoden 16a, 16b und ein Satz Pumpelektroden 18a, 18b zum Auspumpen von O₂ in den jeweiligen Kammern aus den Kammern heraus sind in der anderen ZrO₂-Trennwand 10b angeordnet.
Der so konstruierte Gas-Analysator funktioniert wie folgt. Der Partialdruck von Sauerstoff, der im Messgas G enthalten ist, das durch das enge Loch 2 in die erste Kammer 4 eingeleitet wird, wird mit einem Voltmeter 20 als elektrische Potentialdifferenz detektiert, die zwischen den Messelektroden 12a, 12b erzeugt wird. Eine Spannung von 100 bis 200 mV wird mithilfe einer Spannungsquelle 22 an die Pumpelektroden 16a, 16b angelegt, so dass die elektrische Potentialdifferenz auf einen vorbestimmten Wert eingestellt wird. Demgemäß wird O₂ in der ersten Kammer 4 zur Außenseite der Vorrichtung hin herausgepumpt. Die Menge an ausgepumptem Sauerstoff kann unter Einsatz eines Strommessers 24 gemessen werden.
Das Messgas G, aus dem beinahe das gesamte O₂ entfernt worden ist, wird durch das enge Loch 6 in die zweite Kammer 8 eingeleitet. In der zweiten Kammer 8 wird eine zwischen den Messelektroden 14a, 14b erzeugte elektrische Potentialdifferenz durch ein Voltmeter 26 detektiert. So wird der Sauerstoff-Partialdruck in der zweiten Kammer 8 gemessen. Andererseits wird NO, das im Messgas G enthalten ist, das in die zweite Kammer 8 eingeleitet wird, mithilfe einer Spannung, die durch eine Spannungsquelle 28 zwischen den Pumpelektroden 18a, 18b angelegt wird, wie folgt abgebaut: NO → (1/2)N₂ + (1/2)O₂
Durch den Abbau erzeugtes wird mithilfe der Pumpelektroden 18a, 18b aus der zweiten Kammer 8 herausgepumpt. Ein Wert eines elektrischen Stroms, der während dieses Verfahrens erzeugt wird, wird von einem Strommesser 30 detektiert. So wird die im Messgas G enthaltene NO-Konzentration gemessen.
Im Fall des wie oben beschrieben konstruierten Gas-Analysators wird der Sauerstoff-Partialdruck in jeder der Kammern eingestellt, indem jede der geringfügigen Spannungen zwischen den Messelektroden 12a, 12b und den Messelektroden 14a, 14b gemessen wird und die Konzentration von NO, die im Messgas G enthalten ist, wird gemessen, indem der geringfügige Strom zwischen den Pumpelektroden 18a, 18b gemessen wird. Demgemäß ist es, um die Genauigkeit der vom Gas-Analysators durchgeführten Messung beizubehalten, notwendig, ausreichende Isolation für Zuleitungsdrähte zu gewährleisten, die an die jeweiligen Messelektroden 12a, 12b, 14a, 14b und die Pumpelektroden 18a, 18b angeschlossen sind, so dass eine durch Störung verursachte Schwankung des detektierten Signals so weitgehend wie möglich vermieden werden kann.
Im Allgemeinen wird, um die Isolation wie oben beschrieben zu gewährleisten, eine Pumpzelle von einer Sensorzelle isoliert, indem ein poröses isolierendes Material verwendet wird, oder ein Zuleitungsdraht für eine Elektrode wird isoliert, wie beispielsweise in den japanischen Patentveröffentlichungen Nr. 4-26055 und 5-62297 beschrieben. Beispielsweise wird im Allgemeinen Aluminiumoxid oder Spinell als Material eingesetzt, um die Isolation zu gewährleisten.
Wenn das poröse isolierende Material jedoch zur Isolation für den Zuleitungsdraht des wie oben konstruierten Gas-Analysators verwendet wird, kommt beispielsweise von einer Seite eines Steckverbinders für den Zuleitungsdraht, der nach außen freiliegt, und dringt durch eine poröse isolierende Schicht in die Messkammer. Als Ergebnis wird die Sauerstoffkonzentration in der Nähe einer Elektrode, die sich nahe der isolierenden Schicht befindet, erhöht. Insbesondere kann die in der zweiten Messkammer 8 angeordnete Messelektrode 14b durch das hindurchgedrungene beeinträchtigt werden, und somit entsteht insofern ein Nachteil, als das O₂ den NO-Abbaustrom erhöht.
Was die erste Kammer 4 betrifft entsteht, wenn die Messelektrode 12b zum Messen der Sauerstoff-Konzentration in der ersten Kammer 4 näher bei der zweiten Kammer 8 angeordnet ist als die Pumpelektrode 16b, insofern ein Nachteil, als die Sauerstoff- Konzentration in der Nähe der Messelektrode 12b erhöht wird, um die Sauerstoff-Konzentration in der ersten Kammer 4 zu detektieren.
Es tritt ein weiterer Nachteil wie folgt auf. Wenn der Gas-Analysators nicht betrieben wird oder abgeschaltet ist, wird von der porösen isolierenden Schicht adsorbiert. Wenn der Gas-Analysators das nächste Mal betrieben wird, tritt das adsorbierte in den Messraum aus. Folglich wird die Sauerstoff-Konzentration in der Nähe der Messelektroden 12b, 14b erhöht.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung ist gemacht worden, um die oben beschriebenen Nachteile zu überwinden, wobei ein Ziel darin besteht, einen Gassensor bereitzustellen, der es ermöglicht, das Eindringen von Sauerstoff auf anderem Weg als über eine Messgas-Einleitungsöftnung zu vermeiden, und so die Menge an in einem Messgas enthaltenen Oxiden oder entflammbaren Gase mit einem extrem hohen Grad an Präzision zu messen.
Die vorliegende Erfindung steht einen Gassensor bereit, wie in Anspruch 1 dargelegt.
Gemäß vorliegender Erfindung wird zunächst der Sauerstoff im Messgas, das vom Außenraum in die erste Kammer eingeleitet wird, dem vom Haupt-Pumpmittel durchgeführten Pumpvorgang unterzogen, und der Sauerstoff wird so eingestellt, dass er eine vorbestimmte Konzentration aufweist. Das Messgas, in dem die Sauerstoff-Konzentration vom Haupt-Pumpmittel eingestellt worden ist, wird in das ein elektrisches Signal erzeugende Umwandlungsmittel eingeleitet, das für die zweite Kammer vorgesehen ist. Das ein elektrisches Signal erzeugende Umwandlungsmittel dient dazu, die vorbestimmte Gaskomponente, die im in die zweite Kammer eingeleiteten Messgas enthalten ist, mithilfe der katalytischen Wirkung und/oder Elektrolyse abzubauen, und durch Umwandlung das elektrische Signal bereitzustellen, das der durch den Abbau erzeugten Sauerstoffmenge entspricht.
Danach wird die im Messgas enthaltene vorbestimmte Gaskomponente auf Basis des elektrischen Signals gemessen, das vom ein elektrisches Signal erzeugenden Umwandlungsmittel geliefert wird.
Der Gassensor kann ein Messpumpmittel und ein Stromdetektionsmittel umfassen, um als das ein elektrisches Signal erzeugende Umwandlungsmittel zu dienen. Bei dieser bevorzugten Ausführungsform wird das Messgas, in dem die Sauerstoff-Konzentration durch das Haupt-Pumpmittel eingestellt worden ist, in das Messpumpmittel eingeleitet, das für die zweite Kammer vorgesehen ist.
Im Messpumpmitel wird die vorbestimmte Gaskomponente, die im in die zweite Kammer eingeleiteten Messgas enthalten ist, mithilfe der katalytischen Wirkung und/oder Elektrolyse abgebaut. Der durch den Abbau erzeugte Sauerstoff wird einem Pumpvorgang unterzogen, der vom Messpumpmittel auf Basis einer Messspannung durchgeführt wird, die zwischen der inneren und der äußeren Detektionselektrode angelegt wird. Im Messpumpmittel wird ein Pumpstrom erzeugt, der einer Sauerstoffmenge entspricht, die dem vom Messpumpmittel durchgeführten Pumpvorgang unterzogen wird. Der erzeugte Pumpstrom wird vom Stromdetektionsmittel detektiert. So wird die vorbestimmte Gaskomponente entsprechend der Sauerstoffmenge gemessen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann der Gassensor gemäß vorliegender Erfindung ein Konzentrationsdetektionsmittel und ein Spannungsdetektionsmittel umfassen, um als das ein elektrisches Signal erzeugende Umwandlungsmittel zu dienen. Bei dieser Ausführungsform wird das Messgas, in dem die Sauerstoff-Konzentration vom Haupt-Pumpmittel eingestellt worden ist, in das Konzentrationsdetektionsmittel eingeleitet, das für die zweite Kammer vorgesehen ist. Im Konzentrationsdetektionsmittel wird die vorbestimmte Gaskomponente, die im in die zweite Kammer eingeleiteten Messgas enthalten ist, mithilfe der katalytischen Wirkung abgebaut. Das Konzentrationsdetektionsmittel erzeugt eine elektromotorische Kraft einer Sauerstoffkonzentrationszelle, die einer Differenz zwischen einer durch den Abbau erzeugten Sauerstoffmenge und einer Sauerstoffmenge entspricht, die in einem Gas enthalten ist, das auf einer Seite einer äußeren Detektionselektrode vorliegt. Die erzeugte elektromotorische Kraft wird vom Spannungsdetektionsmittel detektiert. So wird die vorbestimmte Gaskomponente entsprechend der Sauerstoffmenge gemessen.
Im Gassensor gemäß vorliegender Erfindung wird der Zuleitungsdraht, der an die in der zweiten Kammer angeordneten innere Detektionselektrode angeschlossen ist, von der isolierenden Schicht gehalten, die aus dem verdichteten isolierenden Material besteht. Demgemäß wird verhindert, dass unnötiger Sauerstoff von außerhalb durch die isolierende Schicht in die zweite Kammer eindringt. Daher kann die Menge der vorbestimmten Gaskomponente sehr präzise auf Basis nur des Sauerstoffs gemessen werden, der von der vorbestimmten Gaskomponente erzeugt wird.
Oxide, beispielsweise Stickstoffoxide, die im Messgas enthalten sind, können unter Einsatz des Gassensors gemäß vorliegender Erfindung mit hoher Genauigkeit gemessen werden. Bei einer anderen Ausführungsform werden entflammbare Gase, beispielsweise Gaskomponenten wie Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoff, ebenfalls mit großer Genauigkeit gemessen werden, indem die Atmosphäre in der ersten Kammer so eingestellt wird, dass eine vorbestimmte Sauerstoffmenge vorhanden ist, mit der kein entflammbares Gas brennt.
Es ist wünschenswert, dass das isolierende Material aus einem Material mit einer Porosität nicht über 10% besteht.
Durch die Anordnung der aus dem isolierenden Material bestehenden isolierenden Schicht zwischen einer Wandfläche der zweiten Kammer und einem Abschnitt, an dem der Zuleitungsdraht aus dem Gassensor hinaus geleitet wird, wie in Anspruch 1 dargelegt, kann das Eindringen von Sauerstoff von außen besser vermieden werden. So kann die vorbestimmte Gaskomponente mit hoher Präzision mithilfe des Messpumpmittels oder des Konzentrationsdetektionsmittels gemessen werden, das für die zweite Kammer vorgesehen ist.
Die innere Detektionselektrode in der zweiten Kammer kann um einen vorbestimmten Abstand von einer Wandfläche angeordnet und getrennt sein, an der der Zuleitungsdraht zumindest zur inneren Detektionselektrode geleitet wird.
Im wie oben beschrieben konstruierten Gassensor kann eine zweite Kammer konstruiert werden, indem die innere Detektionselektrode mit einem die Diffusionsrate bestimmenden Abschnitt bedeckt wird, der aus einem porösen Material besteht. Bei dieser Ausführungsform ist die zweite Kammer an einer Grenzfläche zwischen dem Diffusionsraten-Bestimmungsabschnitt und der inneren Detektionselektrode ausgebildet.
Der wie oben beschrieben konstruierte Gassensor kann eine Vielzahl zweiter Kammern umfassen, die mit der ersten Kammer verbunden sind und in Serie oder parallel zur ersten Kammer angeordnet sind. Bei dieser Ausführungsform können eine Vielzahl von Oxiden unterschiedlicher Typen unter Verwendung eines Sensors gemessen werden, indem ein Pumpstrom, der zwischen Elektroden für jede der zweiten Kammern angelegt wird, entsprechend jedem der Oxide als Messziele eingestellt wird.
Insbesondere können Stickstoffoxide wie NO und NO₂ mit hoher Genauigkeit gemessen werden, indem der Gassensor gemäß vorliegender Erfindung eingesetzt wird.
Der wie oben beschrieben konstruierte Gassensor kann weiters ein Hilfs-Pumpmittel umfassen, das eine innere und eine äußere Hilfs-Pumpelektrode umfasst, die innerhalb und außerhalb der zweiten Kammer angeordnet sind, um einen Pumpvorgang für Sauerstoff, der im Messgas enthalten ist, nachdem es dem vom Haupt-Pumpmittel durchgeführten Pumpvorgang unterzogen worden ist, auf Basis einer Hilfs-Pumpspannung durchzuführen, die zwischen der inneren und der äußeren Hilfs-Pumpelektrode angelegt wird.
Demgemäß wird die Sauerstoffkonzentration im Messgas, das vom Außenraum in die erste Kammer eingeleitet wird, zunächst mithilfe des Haupt-Pumpmittels grob eingestellt, und dann wird das Messgas für den nächsten Schritt in die zweite Kammer eingeleitet. In der zweiten Kammer wird die Sauerstoffkonzentration mithilfe des Hilfs-Pumpmittels weiter fein eingestellt.
Im Allgemeinen verändert sich, wenn sich die Sauerstoffkonzentration im Messgas im Außenraum stark verändert (beispielsweise von 0 auf 20%), stark die Konzentrationsverteilung von Sauerstoff im Messgas, das in das Haupt-Pumpmittel eingeleitet wird. Die in das Messpumpmittel oder das Konzentrationsdetektionsmittel eingeleitete Sauerstoffmenge verändert sich ebenfalls.
In einer solchen Situation wird die Sauerstoffkonzentration im Messgas, nachdem es dem vom Hauptpumpmittel durchgeführten Pumpvorgang unterzogen wird, beim vom Hilfs-Pumpmittel durchgeführten Pumpvorgang fein eingestellt. Signifikanterweise wird die Veränderung der Sauerstoffkonzentration im in das Hilfs-Pumpmittel eingeführten Messgas als Ergebnis des vom Haupt-Pumpmittels durchgeführten Pumpvorgangs im Vergleich zur Veränderung der Sauerstoffkonzentration im vom Außenraum zugeführten Messgas (dem in das Hauptpumpmittel eingeleiteten Messgas} stark verringert. Demgemäß kann die Konzentration der vorbestimmten Gaskomponente in der Nähe der inneren Detektionselektrode des Messpumpmittels oder in der Nähe der äußeren Detektionselektrode des Konzentrationsdetektionsmittels präzise und konstant gesteuert werden.
Daher wird die Konzentration der vorbestimmten Gaskomponente, die in das Messpumpmittel oder das Konzentrationsdetektionsmittel eingeleitet wird, durch die Veränderung der Sauerstoffkonzentration im Messgas (dem in das Hauptpumpmittel eingeleiteten Messgas) kaum beeinflusst. Als Ergebnis wird der Pumpstromwert, der vom Stromdetektionsmittel detektiert wird, oder die elektromotorische Kraft, die vom Spannungsdetektionsmittel detektiert wird, durch die Veränderung der Sauerstoff konzentration im Messgas nicht beeinträchtigt. Daher wird ein Wert erhalten, der der Menge der Zielkomponente, die im Messgas vorliegt, genau entspricht.
Der wie oben beschrieben konstruierte Gassensor kann weiters ein Konzentrationsmessmittel umfassen, das eine innere Messelektrode, die gegenüber der ersten Kammer freiliegt, und eine äußere Messelektrode umfasst, die gegenüber einem Bezugsgas-Einleiteraum freiliegt, um eine elektromotorische Kraft einer Sauerstoffkonzentrationszelle, die zwischen der inneren und der äußeren Messelektrode erzeugt wird, als Sauerstoff-Partialdruck in der ersten Kammer zu messen; sowie ein Haupt-Pumpsteuerungsmittel, um eine Höhe der Steuerungsspannung einzustellen, so dass die elektromotorische Kraft der Sauerstoffkonzentrationszelle, die vom Konzentrationsmessmittel detektiert wird, einen vorbestimmten Wert aufweist; worin die aus dem isolierenden Material bestehende isolierende Schicht für einen Zuleitungsdraht angeordnet ist, der mit der inneren Messelektrode in der ersten Kammer und/oder der inneren Detektionselektrode verbunden ist.
Demgemäß wird die elektromotorische Kraft im Konzentrationsmessmittel entsprechend einer Differenz zwischen der Sauerstoffmenge, die in der Atmosphäre in der ersten Kammer enthalten ist, und der Sauerstoffmenge erzeugt, die im Gas enthalten ist, das auf der Seite der äußeren Messelektrode vorliegt. Die Höhe der Steuerungsspannung, die zwischen der inneren und der äußeren Pumpelektrode des Haupt-Pumpmittels angelegt wird, wird auf Basis der elektromotorischen Kraft mithilfe des Haupt-Pumpsteuerungsmittels eingestellt.
Das Haupt-Pumpmittel führt den Pumpvorgang für eine Menge des Sauerstoffs im vom Außenraum eingeleiteten Messgas durch, wobei die Menge der Höhe der Steuerungsspannung entspricht. Die Sauerstoffkonzentration im Messgas wird einer Rückkopplungssteuerung unterzogen, so dass die Sauerstoffkonzentration eine vorbestimmte Höhe hat, indem dem Haupt-Pumpmittel die Steuerungsspannung zugeführt wird, die der Höheneinstellung wie oben beschrieben unterzogen worden ist.
Gemäß vorliegender Erfindung liegt der Zuleitungsdraht, der mit der in der zweiten Kammer angeordneten inneren Detektionselektrode und/oder der in der ersten Kammer angeordneten inneren Messelektrode verbunden ist, in einer Form vor, in der er von der isolierenden Schicht gehalten wird, die auf dem verdichteten isolierenden Material besteht. Daher werden die erste und die zweite Kammer durch die isolierende Schicht vor dem Eindringen von unnötigem Sauerstoff von außen geschützt. Demgemäß erzeugt das Konzentrationsmessmittel die elektromotorische Kraft auf Basis nur des im Messgas in der ersten Kammer enthaltenen Sauerstoffs, und somit wird die Sauerstoffkonzentration in der ersten Kammer mithilfe des Haupt-Pumpmittels sehr genau eingestellt. Weiters kann das Messpumpmittel oder das Konzentrationsdetektionsmittel die Menge der vorbestimmten Gaskomponente auf Basis nur des von der vorbestimmten Gaskomponente erzeugten Sauerstoffs sehr genau messen.
Alternativ dazu kann der Gassensor gemäß vorliegender Erfindung eingesetzt werden, um die Menge an entflammbaren Gasen, die im Messgas enthalten ist, auf Basis eines Pumpstroms, der einer Sauerstoffmenge entspricht, die in die zweite Kammer gepumpt wird und an die entflammbaren Gase gebunden wird, sehr genau messen.
Insbesondere ermöglicht es die vorliegende Erfindung, entflammbare Gase, wie H₂, CO und Kohlenwasserstoff, mit hoher Genauigkeit zu messen.
Vorzugsweise wird jedes der Substrate zum Konstruieren einer jeden aus der ersten und der zweiten Kammer auf eine vorbestimmte Temperatur erwärmt, indem ein Heizmittel verwendet wird, um erwünschte Sauerstoffion-Leitfähigkeitseigenschaften zu ergeben. Bei dieser Ausführungsform können die innere Detektionselektrode (und das innere Hilfs-Pumpelektrode), die in der zweiten Kammer angeordnet sind, auf dem Substrat angeordnet sein, das sich auf einer Seite des Heizmittels befindet.
Ein Mittel, um dem Messgas einen vorbestimmten Diffusionswiderstand zu verleihen (aus Gründen der Zweckmäßigkeit als "erster Diffusionsraten-Bestimmungsabschnitt" bezeichnet) kann zwischen dem Außenraum und der ersten Kammer angeordnet sein. Weiters kann zwischen der ersten und der zweiten Kammer ein Mittel angeordnet sind, um dem Messgas einen vorbestimmten Diffusionswiderstand zu verleihen (als "zweiter Diffusionsraten-Bestimmungsabschnitt" bezeichnet). Bei dieser Ausführungsform ist es wünschenswert, dass der Diffusionswiderstand des zweiten Diffusionsraten-Bestimmungsabschnitts so eingestellt ist, dass er größer als der Diffusionswiderstand des ersten Diffusionsraten-Bestimmungsabschnitts ist.
Vorzugsweise wird als in der zweiten Kammer angeordneter Abbau-Katalysator ein Rh-Cermet verwendet. Der Abbau-Katalysator kann als innere Detektionselektrode vorgesehen sein. Alternativ dazu kann der Abbau-Katalysator als Katalysatorschicht getrennt von der inneren Detektionselektrode vorgesehen sein.
Beim Gassensor gemäß vorliegender Erfindung ist die äußere Detektionselektrode an einer Position angeordnet, die gegenüber einem Raum freiliegt, in den das Bezugsgas eingeleitet wird. Somit kann der durch den Abbau der vorbestimmten Gaskomponente erzeugte Sauerstoff mit dem im Bezugsgas enthaltenen Sauerstoff verglichen werden, was es ermöglicht, die vorbestimmte Gaskomponente genauer zu ermitteln.
Insbesondere ist es vorzuziehen, dass die äußere Detektionselektrode zu einer gemeinsamen Einheit mit der äußeren Hilfs-Pumpelektrode und der äußeren Messelektrode kombiniert ist. Bei dieser Ausführungsform liegen eine gemeinsame Elektrode, die als äußere Detektionselektrode des Messpumpmittel oder des Konzentrationsdetektionsmittels dient, die äußere Hilfs-Pumpelektrode des Hilfs-Pumpmittels und die äußere Messelektrode des Konzentrationsmessmittels gegenüber dem Bezugsgas-Einleiteraum frei. Die gemeinsame Elektrode kann als Bezugselektrode für die jeweiligen Detektionsvorgänge definiert werden, die vom Messpumpmittel, dem Konzentrationsdetektionsmittel und dem Konzentrationsmessmittel durchgeführt werden. Gemäß dieser Definition können die innere Detektionselektrode des Messpumpmittels und des Konzentrationsdetektionsmittels als Detektionselektrode definiert werden, die innere Hilfs-Pumpelektrode des Hilfs-Pumpmittels kann als Hilfselektrode definiert werden, und die innere Messelektrode des Konzentrationsmessmittels kann als Messelektrode definiert werden.
Gemäß vorliegender Erfindung kann die Menge der entflammbaren Gase, die im Messgas enthalten ist, mit hoher Genauigkeit auf Basis eines Pumpstroms gemessen werden, der einer Menge an Sauerstoff entspricht, der in die zweite Kammer gepumpt wird, um von den entflammbaren Gasen gebunden zu werden. Bei dieser Ausführungsform ist die für das Hauptpumpmittel eingestellte Steuerspannung so festgelegt, dass die elektromotorische Kraft der Sauerstoffkonzentrationszelle beispielsweise 930 mV beträgt. So ist es möglich, das Messgas, in dem kein entflammbares Gas brennt, der zweiten Kammer zuzuführen.
Die obigen und andere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen besser ersichtlich, in denen eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung anhand eines veranschaulichenden Beispiels gezeigt wird.
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt eine Draufsicht, die einen Gassensor gemäß einer ersten Ausführungsform veranschaulicht.
2 zeigt eine Querschnittansicht entlang einer Linie A-A in 1.
3 zeigt eine Querschnittansicht entlang einer Linie B-B in 2.
4 zeigt Versuchsergebnisse, die in einem ersten veranschaulichenden Versuch erhalten werden, wobei charakteristische Kurven dargestellt werden, die die Beziehung zwischen der Konzentration von NO, das in einem Messgas enthalten ist, und dem Pumpstrom Ip2 betreffen, der durch eine Messpumpzelle fließt.
5 veranschaulicht die Beziehung zwischen der Porosität eines isolierenden Materials und der Einfachheit, mit der Sauerstoff in das Material eindringen kann.
6 zeigt eine weitere veranschaulichende Ausführungsform (erste modifizierte Ausführungsform) der isolierenden Schicht.
7 zeigt wieder eine andere veranschaulichende Ausführungsform (zweite modifizierte Ausführungsform) der isolierenden Schicht.
8 zeigt wieder eine andere veranschaulichende Ausführungsform (dritte modifiziere Ausführungsform) der isolierenden Schicht.
9 zeigt eine Querschnittansicht, die eine weitere veranschaulichende Ausführungsform der zweiten Kammer darstellt.
10 zeigt Versuchsergebnisse, die in einem zweiten veranschaulichenden Versuch erhalten werden, wobei charakteristische Kurven dargestellt werden, die die Beziehung zwischen der Konzentration an C₃H₈ als entflammbares Gas, das in einem Messgas enthalten ist, und dem Pumpstrom Ip2 betreffen, der durch eine Messpumpzelle fließt.
11 zeigt eine Querschnittansicht, die ein System eines Gas-Analysators veranschaulicht, der die herkömmliche Technik betrifft.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Mehrere veranschaulichende Ausführungsformen, in denen der Gassensor gemäß vorliegender Erfindung für Gassensoren zum Messen von Oxiden, wie NO, NO₂, S, C und N₂O, und entflammbaren Gasen, wie CO und CnHm eingesetzt wird, die beispielsweise in Atmosphärenluft und aus Fahrzeugen oder Kraftfahrzeugen abgegebenem Abgas enthalten sind, werden nachstehend unter Bezugnahme auf die 1 bis 10 erklärt.
Zunächst weist, wie in den 1 und 2 gezeigt, ein Gassensor 50A gemäß einer ersten Ausführungsform insgesamt eine längliche plattenförmige Konfiguration auf, die beispielsweise sechs aufeinandergeschichtete Trockenelektrolytschichten 52a bis 52f umfasst, die aus Keramikmaterialien auf Basis der Verwendung von Sauerstoffion-leitenden Trockenelektrolyten wie ZrO₂ bestehen. Eine erste und eine zweite Schicht vom Boden aus werden als erste bzw. zweite Substratschicht 52, 52b bezeichnet. Eine dritte und eine fünfte Schicht vom Boden aus werden als erste bzw. zweite Abstandshalterschicht 52c, 52e bezeichnet. Eine vierte und eine sechste Schicht vom Boden aus werden als erste bzw. zweite Trockenelektrolytschicht 52d, 52f bezeichnet.
Genauer gesagt ist die erste Abstandshalterschicht 52c auf die zweite Substratschicht 52b aufgeschichtet. Die erste Trockenelektrolytschicht 52d, die zweite Abstandshalterschicht 52e und die zweite Trockenelektrolytschicht 52 sind nacheinander auf die erste Abstandshalterschicht 52c aufgeschichtet.
Ein Raum (Bezugsgas-Einleiteraum 54), in den ein Bezugsgas wie Atmosphärenluft zur Verwendung als Bezug zum Messen von Oxiden eingeleitet wird, ist zwischen der zweiten Substratschicht 52b und der ersten Trockenelektrolytschicht 52d gebildet, wobei der Raum durch eine Unterfläche der ersten Trockenelektrolytschicht 52d, eine Deckfläche der zweiten Substratschicht 52b und eine Seitenfläche der ersten Abstandshalterschicht 52c unterteilt ist.
Die zweite Abstandshalterschicht 52e ist zwischen der ersten und der zweiten Trockenelektrolytschicht 52d, 52f angeordnet. Ein erster und ein zweiter Diffusionsraten-Bestimmungsabschnitt 56, 58 sind ebenfalls zwischen der ersten und der zweiten Trockenelektrolytschicht 52d, 52f angeordnet.
Eine erste Kammer 60 zum Einstellen des Sauerstoff-Partialdrucks in einem Messgas wird gebildet und durch eine Unterfläche der zweiten Trockenelektrolytschicht 52f, Seitenflächen des ersten und des zweiten Diffusionsraten-Bestimmungsabschnitts 56, 58 und eine Deckfläche der ersten Trockenelektrolytschicht 52d unterteilt. Eine zweite Kammer 62 zur Feineinstellung des Sauerstoff-Partialdrucks im Messgas und den Messoxiden, beispielsweise Stickstoffoxiden (NO_x) im Messgas, wird gebildet und durch eine Unterfläche der zweiten Trockenelektrolytschicht 52f, eine Seitenfläche des zweiten Diffusionsraten-Bestimmungsabschnitts 58, eine Seitenfläche der zweiten Abstandshalterschicht 52e und eine Deckfläche der ersten Trockenelektrolytschicht 52d unterteilt.
Der Außenraum kommuniziert mit der ersten Kammer 60 durch den ersten Diffusionsraten-Bestimmungsabschnitt 56, und die erste Kammer 60 kommuniziert mit der zweiten Kammer 62 durch den zweiten Diffusionsraten-Bestimmungsabschnitt 58.
Der erste und der zweite Diffusionsraten-Bestimmungsabschnitt 56, 58 verleihen dem Messgas, das in die erste bzw. die zweite Kammer 60, 62 einzuleiten ist, einen vorbestimmten Diffusionswiderstand. Jeder aus dem ersten und dem zweiten Diffusionsraten-Bestimmungsabschnitt 56, 58 kann als Durchgang ausgebildet sein, der beispielsweise aus einem porösen Material besteht, oder als ein kleines Loch mit einer vorbestimmten Querschnittsfläche, so dass das Messgas eingeleitet werden kann.
Insbesondere wird der zweite Diffusionsraten-Bestimmungsabschnitt 58 angeordnet und mit einem porösen Material gefüllt, das beispielsweise ZrO₂ umfasst. Der Diffusionswiderstand des zweiten Diffusionsraten-Bestimmungsabschnitts 58 wird größer gemacht als der Diffusionswiderstand des ersten Diffusionsraten-Bestimmungsabschnitts 56.
Der Gassensor 50A gemäß der ersten Ausführungsform umfasst eine innere Pumpelektrode 64, die aus einer porösen Cermetelektrode besteht, die an einer Innenwandfläche der ersten Kammer 60 ausgebildet ist. Eine äußere Pumpelektrode 55 ist auf einem Abschnitt ausgebildet, der der inneren Pumpelektrode 64a der Deckfläche der zweiten Trockenelektrolytschicht 52f entspricht. Eine elektrochemische Pumpzelle, d. h. eine Haupt-Pumpzelle 68, ist auf der inneren Pumpelektrode 64, der äußeren Pumpelektrode 66 und der zweiten Trockenelektrolytschicht 52f gebildet, die zwischen beiden Elektroden 64, 66 angeordnet sind.
Eine erwünschte Steuerspannung (Pumpspannung) Vp1 wird mithilfe einer äußeren variablen Stromquelle 70 zwischen der inneren Pumpelektrode 64 und der äußeren Pumpelektrode 66 der Haupt-Pumpzelle 68 angelegt, um es zu ermöglichen, dass ein Pumpstrom Ip1 in einer positiven oder negativen Richtung zwischen der äußeren Pumpelektrode 66 und der inneren Pumpelektrode 64 fließt. So kann der Sauerstoff in der Atmosphäre in der ersten Kammer 60 nach außen in den Außenraum hinausgepumpt werden, oder der Sauerstoff im Außenraum kann in die erste Kammer 60 eingepumpt werden.
Eine Messelektrode 72, die aus einer porösen Cermetelektrode mit einer ebenen und im Wesentlichen rechteckigen Gestalt besteht, ist auf einem Abschnitt, der an den zweiten Diffusionsraten-Bestimmungsabschnitt 58 angrenzt, der Deckfläche der ersten Trockenelektrolytschicht 52d ausgebildet, um die erste Kammer 60 zu bilden. Eine Bezugselektrode 74 ist auf einem Abschnitt, der gegenüber dem Bezugsgas-Einleiteraum 54 freiliegt, der Unterfläche der ersten Trockenelektrolytschicht 52d ausgebildet. Eine elektrochemische Sensorzelle, d. h. eine Steuer-Sauerstoff-Partialdruck-Detektionszelle 76, ist durch die Messelektrode 72, die Bezugselektrode 74 und die erste Trockenelektrolytschicht 52d gebildet.
Eine elektromotorische Kraft wird zwischen der Messelektrode 72 und der Bezugselektrode 74 der Steuer-Sauerstoff-Partialdruck-Detektionszelle 76 auf Basis einer Differenz in der Sauerstoffkonzentration zwischen der Atmosphäre in der ersten Kammer 60 und dem Bezugsgas (Atmosphärenluft) im Bezugsgas-Einleiteraum 54 erzeugt. Der Sauerstoff-Partialdruck in der Atmosphäre in der ersten Kammer 60 kann ermittelt werden, indem die erzeugte elektromotorische Kraft mithilfe eines Voltmeters 78 gemessen wird.
Genauer gesagt ist die Spannung V1, die zwischen der Bezugselektrode 74 und der Messelektrode 72 erzeugt wird, eine elektromotorische Kraft der Sauerstoffkonzentrationszelle, die auf Basis einer Differenz zwischen einem Sauerstoff-Partialdruck im Bezugsgas, das in den Bezugsgas-Einleiteraum 54 eingeleitet wird, und einem Sauerstoff-Partialdruck in Messgas in der ersten Kammer 60 erzeugt wird. Die Spannung V1 hat die folgende Beziehung, die als Nernst-Gleichung bekannt ist: V1 = RT/4F·In(P1(O2)/PO(O2))R: Gaskonstante;
T: absolute Temperatur;
F: Faraday-Konstante;
P1(O₂)): Sauerstoff-Partialdruck in der ersten Kammer 60;
PO(O₂)): Sauerstoff-Partialdruck im Bezugsgas.
Daher kann der Sauerstoff-Partialdruck in der ersten Kammer 60 detektiert werden, indem die Spannung V1, die auf Basis der Nernst-Gleichung erzeugt wird, mithilfe des Voltmeters 78 gemessen wird.
Der ermittelte Wert des Sauerstoff-Partialdrucks wird eingesetzt, um die Pumpspannung der variablen Leistungsquelle 70 mithilfe eines Rückkopplungssteuerungssystems 80 zu steuern. Genauer gesagt wird der Pumpvorgang, der von der Haupt-Pumpzelle 68 durchgeführt wird, so reguliert, dass der Sauerstoff-Partialdruck in der ersten Kammer 60 einen vorbestimmten Wert aufweist, der ausreichend gering ist, um im nächsten Schritt den Sauerstoff-Partialdruck in der zweiten Kammer 62 zu steuern.
Die innere Pumpelektrode 64 und die äußere Pumpelektrode 66 bestehen aus einem inaktiven Material, das eine geringe katalytische Wirkung auf NO_x hat, beispielsweise NO im Messgas, das in die erste Kammer 60 eingeleitet wird. Spezifisch können die innere Pumpelektrode 64 und die äußere Pumpelektrode 66 aus einer porösen Cermetelektrode bestehen. Bei dieser Ausführungsform sind sie aus einem Metall wie Pt und einer Keramik wie Zr gebildet. Insbesondere ist es notwendig, für die innere Pumpelektrode 64 und die Messelektrode 72, die in der ersten Kammer 60 angeordnet sind, die das Messgas berührt, ein Material zu verwenden, das schwache Reduktionsfähigkeit oder keine Reduktionsfähigkeit in Bezug auf die NO-Komponente im Messgas aufweist. Vorzugsweise besteht die innere Pumpelektrode 64 und die Messelektrode 72 beispielsweise aus einer Verbindung mit Perowskit-Struktur, wie La₃CuO₄, einem Cermet, der ein Keramikmaterial und ein Metall mit geringer katalytischer Aktivität, wie Au, umfasst, oder einem Cermet, der ein Keramikmaterial, ein Metall der Pt-Gruppe und ein Metall mit geringer katalytischer Aktivität, wie Au, umfasst. Weiters wird, wenn eine Legierung, die Au und ein Metall der Pt-Gruppe umfasst, als Elektrodenmaterial verwendet wird, Au vorzugsweise in einer Menge von 0,03 bis 35 Vol.-% der gesamten Metallkomponenten zugegeben.
Der Gassensor 50A gemäß der ersten Ausführungsform umfasst eine Detektionselektrode 82, die aus einer porösen Cermetelektrode mit einer ebenen und im Wesentlichen rechteckigen Gestalt besteht. Die Detektionselektrode 82 ist auf einem vom zweiten Diffusionsraten-Bestimmungsabschnitt 58 getrennten Abschnitt der Deckfläche der ersten Trockenelektrolytschicht 52d zur Ausbildung der zweiten Kammer 62 ausgebildet. Eine elektrochemische Pumpzelle, d. h. eine Messpumpzelle 84, ist aus der Detektionselektrode 82, der Bezugselektrode 74 und der ersten Trockenelektrolytschicht 52d konstruiert.
Die Detektionselektrode 82 kann konstruiert sein, indem ein Stickstoffoxid-Abbaukatalysator, beispielsweise ein Rh-Cermet, ein Material mit geringer katalytischer Aktivität oder eine Kombination aus einem Stickstoff-Abbaukatalysator, der in der Nähe eines Materials mit geringer katalytischer Aktivität angeordnet ist, entsprechend ausgewählt werden. Bei dieser Ausführungsform besteht die Detektionselektrode 82 aus einem porösen Cermet, der Rh als zur Reduktion von NO_x als Ziel-Gaskomponente fähiges Metall und Zirkondioxid als Keramik umfasst.
Demgemäß wird NO_x, das im in die zweite Kammer 62 eingeleiteten Messgas vorliegt, durch die katalytische Wirkung abgebaut, die von der Detektionselektrode 82 ausgeübt wird. Eine konstante Spannung Vp2 in einer Höhe, in der , das aus von der Detektionselektrode 82 abgebautem NO_x erzeugt wird, ausreichend zum Bezugsgas-Einleiteraum 54 hin herausgepumpt werden kann, wird mithilfe einer Gleichspannungsquelle 86 zwischen der Detektionselektrode 82 und der Bezugselektrode 74 angelegt. Die Gleichspannungsquelle 86 kann eine Spannung mit einer ausreichenden Größe anlegen, um dem Pumpen für Sauerstoff, der während des Abbaus in der Messpumpzelle 84 erzeugt wird, einen Begrenzungsstrom zu geben.
So kann ein Pumpstrom Ip2 durch die Messpumpzelle 84 fließen, der einer Sauerstoffmenge entspricht, die durch den von der Messpumpzelle 84 durchgeführten Pumpvorgang herausgepumpt wird. Der Pumpstrom Ip2 wird von einem Strommesser 88 detektiert.
Eine Pumpspannung, die ausreicht, um NO_x abzubauen, kann zwischen der Detektionselektrode 82 und der Bezugselektrode 74 angelegt werden. Alternativ dazu kann ein Sauerstoff-Abbaukatalysator zum Abbauen von NO_x in der zweiten Kammer 62 angeordnet sein. So kann , das durch die Wirkung der Pumpspannung und/oder des Sauerstoff-Abbaukatalysators erzeugt wird, mit einer vorbestimmten Pumpspannung aus der zweiten Kammer 62 herausgepumpt werden.
Wie in 2 gezeigt, umfasst der Gassensor 50A gemäß der ersten Ausführungsform eine Heizeinrichtung 90, um entsprechend der Zufuhr an elektrischer Leistung von außen Wärme zu erzeugen. Die Heizeinrichtung 90 ist in einer Form eingebettet, in der er vertikal zwischen der ersten und der zweiten Substratschicht 52a, 52b angeordnet ist. Die Heizeinrichtung 90 ist vorgesehen, um die Sauerstoffion- Leitfähigkeit zu erhöhen. Eine Keramikschicht 92, die aus Aluminiumoxid oder dergleichen besteht, ist ausgebildet, um die Deckfläche und die Unterfläche der Heizeinrichtung 90 zu bedecken, so dass die Heizeinrichtung 90 elektrisch von der ersten und der zweiten Substratschicht 52a, 52a isoliert ist.
Die Heizeinrichtung 90 ist so angeordnet, dass sie sich über den gesamten Bereich von der ersten Kammer 60 zur zweiten Kammer 62 erstreckt. So werden die erste und die zweit Kammer 60, 62 jeweils auf vorbestimmte Temperaturen erwärmt. Weiters werden auch die Haupt-Pumpzelle 68, die Steuer-Sauerstoff-Partialdruck-Detektionszelle 76 und die Messpumpzelle 84 jeweils auf vorbestimmte Temperaturen erwärmt und darauf gehalten.
Wie in 1 gezeigt, umfasst der Gassensor 50A gemäß der ersten Ausführungsform Anschlusselektroden 100a bis 100d, die an einem Endabschnitt der Oberfläche angeordnet sind, die sich auf einer Seite gegenüber dem ersten Diffusionsraten-Bestimmungsabschnitt 56 befinden. Die Messelektrode 72, die äußere Pumpelektrode 66, die innere Pumpelektrode 64 und die Detektionselektrode 82 sind durch Zuleitungsdrähte 102a bis 102d mit den Anschlusselektroden 100a bis 100d verbunden.
Der Zuleitungsdraht 102b zum Verbinden der äußeren Pumpelektrode 66 mit der Verbindungselektrode 100b ist über der zweiten Trockenelektrolytschicht 52f angeordnet. Der Zuleitungsdraht 102 und die Verbindungselektrode 100a, der Zuleitungsdraht 102c und die Verbindungselektrode 100c bzw. der Zuleitungsdraht 102c und die Verbindungselektrode 100d sind über Durchgangslöcher 106a, 106c, 106d elektrisch miteinander verbunden.
Isolierende Schichten für die jeweiligen Zuleitungsdrähte 102a bis 102d sind auf der gleichen Substratflächen ausgebildet wie jenen, die für die Messelektrode 72, die äußere Pumpelektrode 66, die innere Pumpelektrode 64 bzw. die Detektionselektrode 82 verwendet werden. Jede der isolierenden Schichten ist so ausgebildet, dass jeder der Zuleitungsdrähte 102 bis 102 vertikal dazwischen angeordnet und eingebettet ist.
Wie in den 1 und 3 gezeigt, ist die verdichtete isolierende Schicht 104a, um den Zuleitungsdraht 102a für die Messelektrode 72 dazwischen anzuordnen und einzubetten, auf einer Seite der Messelektrode 72 um einen vorbestimmten Abstand von einer Wandfläche getrennt, um die erste Kammer 60 auszubilden. Die verdichtete isolierende Schicht 104d, um den Zuleitungsdraht 102d für die Detektionselektrode 82 dazwischen anzuordnen und einzubetten, ist auf einer Seite der Detektionselektrode 82 um einen vorbestimmten Abstand von einer Wandfläche getrennt, um die zweite Kammer 62 zu konstruieren. Wie in 1 gezeigt, ist die verdichtete isolierende Schicht 104c, um den Zuleitungsdraht 102c für die innere Pumpelektrode 64 in der ersten Kammer 60 dazwischen anzuordnen und einzubetten, auf einer Seite der inneren Pumpelektrode 64 um einen vorbestimmten Abstand von einer Wandfläche getrennt, um die erste Kammer 60 auszubilden.
Ein Material mit einer geringen Porosität, vorzugsweise ein Material mit einer Porosität nicht über 10%, kann aus isolierenden Materialien wie Aluminiumoxid und Spinell ausgewählt werden, das für die verdichteten isolierenden Schichten 104a, 104c, 104d verwendet werden kann.
Der Gassensor 50A gemäß der ersten Ausführungsform wird im Wesentlichen wie oben beschrieben ausgebildet. Als nächstes werden seine Funktion und Wirkung erklärt.
Vor der Messung von Oxiden wird der Gassensor 50A in einen Zustand gesetzt, in dem das Messgas in die erste Kammer 60 eingeleitet werden kann. Als nächstes wird ein elektrischer Strom an die Heizeinrichtung 90 angelegt, so dass die erste und die zweite Trockenelektrolytschicht 52d, 52f aktiviert werden, so dass sie erwünschte Zustände aufweisen.
Als nächstes wird mit der Messung von Oxiden, die im Messgas enthalten sind, begonnen, indem das Messgas in den Gassensor 50A eingeleitet wird, der wie oben beschrieben eingestellt worden ist.
Das Messgas wird durch den ersten Diffusionsraten-Bestimmungsabschnitt 56 unter einem vorbestimmten Diffusionswiderstand in die erste Kammer 60 eingeleitet. Der Partialdruck von im Messgas enthaltendem Sauerstoff wird entsprechend einer vorbestimmten Pumpspannung Vp1, die mithilfe der variablen Spannungsquelle 70 zwischen der inneren Pumpelektrode 64 und der äußeren Pumpelektrode 66 angelegt wird, so gesteuert, dass er einen vorbestimmten Wert aufweist. Genauer gesagt kann der Sauerstoff-Partialdruck in der ersten Kammer 60 auf Basis einer Spannung V1 zwischen der Bezugselektrode 74 und der Messelektrode 72 gemessen werden, die vom Voltmeter 78 ermittelt wird. Die Spannung V1 ist eine elektromotorische Kraft der Sauerstoffkonzentrationszelle, die durch die oben beschriebene Nernst-Gleichung definiert ist. Die von der variablen Spannungquelle 70 angelegte Spannung wird so gesteuert, dass die Spannung V1 beispielsweise nicht über 350 mV liegt. So wird der Sauerstoff-Partialdruck in der ersten Kammer 60 so gesteuert, dass er einen vorbestimmten Wert hat.
Das Messgas, das so gesteuert worden ist, dass es den vorbestimmten Sauerstoff-Partialdruck in der ersten Kammer 60 aufweist, wird durch den zweiten Diffusionsraten-Bestimmungsabschnitt 58, der so konstruiert ist, dass er eine größere Diffusionsrate aufweist als der erste Diffusionsraten-Bestimmungsabschnitt 56, in die zweite Kammer 62 eingeleitet.
In der zweiten Kammer 62 wird eine vorbestimmte Pumpspannung Vp2, die ausreicht, um in der zweiten Kammer 62 herauszupumpen, mithilfe der Gleichspannungsquelle 86 zwischen der Bezugselektrode 74 und der Detektionselektrode 82 angefegt. Die im Messgas enthaltenen Oxide werden mithilfe der Pumpspannung Vp2 oder mithilfe eines Oxid abbauenden Katalysators abgebaut, der in der zweiten Kammer 62 angeordnet ist. So erzeugtes wird durch die erste Trockenelektrolytschicht 52d zum Bezugsgas-Einleiteraum 54 herausgepumpt. Bei diesem Vorgang wird ein Stromwert Ip2, der durch die Sauerstoffion-Bewegung erzeugt wird, vom Strommesser 88 gemessen. Die Konzentration an vorbestimmten Oxiden, beispielsweise NO_x wie NO und NO₂, die im Messgas enthalten ist, wird aufgrund des Stromwerts Ip2 bestimmt.
Wie oben beschrieben sind beim Gassensor 50A gemäß der ersten Ausführungsform die jeweiligen Zuleitungsdrähte 102a, 102c, 102d, die an die Messelektrode 72 zum Messen des Sauerstoff-Partialdrucks in der ersten Kammer 60 angeschlossen sind, die innere Pumpelektrode 64 und die Detektionselektrode 82 zum Messen der Menge an Oxiden in der zweiten Kammer 62 jeweils in den verdichteten isolierenden Schichten 104a, 104c, 104d angeordnet und eingebettet. So wird auf geeignete Weise ein isolierter Zustand beibehalten, und das Eindringen von Sauerstoff von außen wird gut vermieden. Daher ist es möglich, die Menge an Oxiden mit hoher Genauigkeit zu messen.
Nun wird ein veranschaulichender Versuch (aus Gründen der Zweckmäßigkeit als "erster veranschaulichender Versuch" bezeichnet) beschrieben. Der erste veranschaulichende Versuch wurde durchgeführt, indem Beispiel 1 und das Vergleichsbeispiel vorgesehen wurden. Beispiel 1 basierte auf der Verwendung eines Systems, das auf die gleiche Weise wie der Gassensor 50A gemäß der ersten Ausführungsform konstruiert war. Das Vergleichsbeispiel basierte auf der Verwendung eines Systems, das unter Verwendung herkömmlicher isolierender Schichten konstruiert wurde, die aus einem porösen Material bestanden.
Beim ersten veranschaulichenden Versuch erfolgte eine Beobachtung in Hinblick auf die Beziehung zwischen der im Messgas enthaltenen NO-Konzentration und dem Stromwert Ip2, der vom Strommesser 88 gemessen wurde, der zwischen der Detektionselektrode 82 und der Bezugselektrode 74 der Messpumpzelle 84 eingeschaltet war, unter Bezugnahme auf Beispiel 1 und das Vergleichsbeispiel, wie oben beschrieben. Die im ersten veranschaulichenden Versuch erhaltenen Versuchsergebnisse werden in 4 gezeigt.
In 4 stellt eine charakteristische Kurve, die durch eine durchgehende Linie dargestellt ist (veranschaulicht durch schwarze Kreise "•"), ein in Beispiel 1 erhaltenes Versuchsergebnis dar, und eine charakteristische Kurve, die durch eine strichlierte linie angestellt ist (veranschaulicht durch schwarze Dreiecke "
"), stellt ein im Vergleichsbeispiel erhaltenes Versuchsergebnis dar. Gemäß den in 4 gezeigten Versuchsergebnissen ist die Versetzung, die im Ergebnis der in Beispiel 1 durchgeführten Messung im Vergleich zum Vergleichsbeispiel erhalten wird, wenn die NO-Konzentration gleich 0 ist, etwa null.
Genauer gesagt bestehen die verdichteten isolierenden Schichten 104a, 104c aus dem dichten Material mit der geringen Porosität. Demgemäß wird verhindert, dass in die erste Kammer 60 durch Abschnitte der Messelektroden 72 und der inneren Pumpelektrode 64 von außen Sauerstoff eindringt. So ist es möglich, die Sauerstoffkonzentration in der ersten Kammer 60 präzise so zu steuern, dass sie einen vorbestimmten Wert erreicht.
Wenn das Messgas, in dem die Sauerstoffkonzentration mit großer Genauigkeit eingestellt worden ist, in die zweite Kammer 62 eingeleitet wird, wird mithilfe der verdichteten isolierenden Schicht 104d auf die gleiche Weise wie oben beschrieben ebenfalls verhindert, dass Sauerstoff von außen durch Abschnitte der Detektionselektrode 82 in die zweite Kammer 62 eindringt. Daher kann die Konzentration von Oxiden gemäß dem O₂, das nur aus den im Messgas enthaltenen Oxiden erzeugt wird, mit großer Genauigkeit gemessen werden.
Weiters erstrecken sich die verdichteten isolierenden Abschnitte 104a, 104c, 104d bis zu jenen Abschnitten, die sich in den vorbestimmten Abständen zu den Wandflächen der ersten bzw. der zweiten Kammer 60, 62 befinden. Die erste Trockenelektrolytschicht 52d oder die zweite Abstandshalterschicht 52e, die extrem geringe Porosität aufweist, tritt auf der Seite der inneren Pumpelektrode 64 oder der Detektionselektrode 82 zwischen die Wandfläche und das Ende einer jeden der verdichteten isolierenden Schichten 104a, 104c, 104d. Daher wird, auch wenn O₂ von außen durch die verdichteten isolierenden Schichten 104a, 104c, 104d dringt, auf angemessene Weise verhindert, dass O₂ in die erste und die zweite Kammer 60, 62 eindringt. Als Ergebnis kann die Menge an Oxiden mit extrem hoher Genauigkeit gemessen werden.
Vorzugsweise weist das isolierende Material zur Ausbildung der verdichteten isolierenden Schichten 104a, 104c, 104d eine Porosität von nicht mehr als 10% auf. Die Porosität kann beispielsweise aufgrund eines SEM-Bildes (unter Einsatz eines Elektronenmikroskop erhaltenes Querschnittsbild) einer hochglanzpolierten Oberfläche bestimmt werden. Genauer gesagt gilt, wenn die Leichtigkeit, mit der in ein Material oder eine Substanz eindringen kann, durch 1/R dargestellt ist, die folgende Beziehung: 1/R = ρ·S/Lρ: Porosität (–):
S: Querschnittsfläche der isolierenden Schicht (mm²);
L: Länge der isolierenden Schicht (mm).
Wie in 5 gezeigt, hat sich gezeigt, dass eine günstige Beziehung, bei der die Differenz zwischen dem Sauerstoff-Partialdruck in der ersten Kammer 60 und dem Sauerstoff-Partialdruck in der zweiten Kammer 62 innerhalb von ±30% liegt, in einem Bereich von 1/R ≤ 2,0 × 10^–4 erhalten wird.
So ist festgestellt worden, dass die Porosität ρ entsprechend gewählt wird und vorzugsweise 10% nicht überschreitet, indem beispielsweise der Faktor S/L, der Prozentsatz an Kontraktion während des Brennens für die Substrate und der isolierenden Schichten und die Gestalt des Gassensors 50A berücksichtigt werden.
Als nächstes werden mehrere modifizierte Ausführungsformen der verdichteten isolierenden Schichten 112a, 112c, 112c unter Bezugnahme auf die 6 bis 8 erklärt.
Zunächst veranschaulicht, wie in 6 gezeigt, eine erste modifizierte Ausführungsform die Bildung verdichteter isolierender Schichten 112a, 112c, 112d, die an Positionen enden, die jeweils in einem vorbestimmten Abstand zu beiden Enden der Zuleitungsdrähte 102a, 102, 102d liegen. Bei dieser Ausführungsform kann das Eindringen von Sauerstoff von außen durch die jeweiligen beiden Enden der Zuleitungsdrähte 102a, 102c, 102d besser vermieden werden.
Wie in 7 gezeigt, veranschaulicht eine zweite modifizierte Ausführungsform die Bildung verdichteter isolierender Schichten, die an Zwischenpositionen zu verdichteten isolierenden Schichten (114a, 116a), (114c, 116c), (114d, 116d) segmentiert sind. Auch kann bei dieser Ausführungsform das Eindringen von Sauerstoff von außen besser vermieden werden, und die Oxide können mithilfe der Messpumpzelle 84, die für die zweite Kammer 62 vorgesehen ist, mit hoher Genauigkeit gemessen werden.
Wie in 8 gezeigt, veranschaulicht eine dritte modifizierte Ausführungsform die Bildung verdichteter isolierender Schichten 124a, 124c, 124d der Zuleitungsdrähte 102, die zwischen der ersten Trockenelektrolytschicht 52d und der zweiten Abstandshalterschicht 52e angeordnet sind, an Positionen, die Abschnitten des Sauerstoffion-leitenden Trockenelektrolyten entsprechen, die aufgrund von Wärme, die von der Heizeinrichtung 90 erzeugt wird, hohe Temperaturen aufweisen.
Genauer gesagt umfasst die dritte modifizierte Ausführungsform jede der verdichteten isolierenden Schichten 124a, 124c, 124d, die an einem Ende gegenüber der ersten oder zweiten Kammer 60 oder 62 freiliegen, und am anderen Ende an einer Position enden, die in einem vorbestimmten Abstand von jedem der entsprechenden Durchgangslöcher 106a, 106c, 106d liegen.
Bei dieser Ausführungsform sind Abschnitte der jeweiligen Zuleitungsdrähte 102a, 102c, 102d (auf denen die verdichteten isolierenden Schichten 124a, 124c, 124d nicht ausgebildet sind), die dem vorbestimmten Abstand von den Durchgangslöchern 106a, 106c, 106d entsprechen, im selben Trockenelektrolyten wie jenem des Substrats angeordnet und eingebettet. Daher ist es möglich, das Eindringen von von außen besser zu vermeiden.
Als Ergebnis können Oxide mithilfe der Messpumpzelle 84, die für die zweite Kammer 62 vorgesehen ist, mit großer Genauigkeit gemessen werden.
Im Gassensor 50A gemäß der oben beschriebenen ersten Ausführungsform (einschließlich der verschiedenen modifizierten Ausführungsformen), ist die zweite Kammer 62 konstruiert worden, indem sie mit den Wandflächen der ersten und der zweiten Trockenelektrolytschicht 52d, 52f sowie der zweiten Abstandshalterschicht 52e unterteilt wurde. Alternativ dazu kann, wie in 9 gezeigt, eine zweite Kammer 62 beispielsweise ausgebildet werden, indem die Detektionselektrode 82 selbst mit einem zweiten Diffusionsraten-Bestimmungsabschnitt 58 bedeckt wird. Bei dieser Ausführungsform ist die zweite Kammer 62 durch eine Grenzfläche zwischen der Detektionselektrode 82 und dem zweiten Diffusionsraten-Bestimmungsabschnitt 58 ausgebildet.
Der Gassensor 50A gemäß der ersten Ausführungsform kann auch auf Sensoren zur hochpräzisen Messung der Menge an im Messgas enthaltenen entflammbaren Gasen, beispielsweise H₂, CO und Kohlenwasserstoff, eingesetzt werden. Bei dieser Ausführungsform wird der Gassensor 50A gemäß der ersten Ausführungsform wie folgt betätigt: die Pumpspannung Vp1, die zwischen der inneren und der äußeren Pumpelektrode 64, 66 für die erste Kammer 60 angelegt wird, wird mithilfe des Rückkopplungssteuerungssystems 80 gesteuert, so dass die elektromotorische Kraft V1 der Sauerstoffkonzentrationszelle, die mit dem Strommesser 78 gemessen wird, beispielsweise 930 mV beträgt. Demgemäß wird die Sauerstoffkonzentration in der ersten Kammer 60 auf eine Konzentration eingestellt, bei der kein entflammbares Gas brennt.
Das Messgas, in dem die Sauerstoffkonzentration durch die Haupt-Pumpzelle 68 auf die vorbestimmte Konzentration eingestellt worden ist, wird durch den zweiten Diffusionsraten-Bestimmungsabschnitt 58 in die zweite Kammer 62 eingeleitet. In der zweiten Kammer 62 wird die Spannung der Gleichstromquelle 68 so gesteuert, dass der Sauerstoff-Partialdruck einen Wert hat, der beispielsweise 450 mV entspricht, wie in einen Wert der elektromotorischen Kraft der Sauerstoffkonzentrationszelle umgewandelt und durch ihn dargestellt. Der Oxid-Abbaukatalysator ist nicht in der zweiten Kammer 62 angeordnet.
In diesem Zustand ist das entflammbare Gas in dem in die zweite Kammer 62 eingeleiteten Messgas, an O₂ gebunden, das von außen entsprechend der an die Detektionselektrode 82 angelegten Pumpspannung Vp2 in die zweite Kammer 62 gepumpt wird. Bei diesem Verfahren kann die Menge des entflammbaren Gases gemessen werden, indem der Pumpstrom Ip2 detektiert wird, der durch den Strommesser 88 fließt.
Nun wird ein veranschaulichender Versuch (aus Gründen der Zweckmäßigkeit als "zweiter veranschaulichener Versuch" bezeichnet) beschrieben. Der zweite veranschaulichende Versuch wurde durchgeführt, indem das oben beschriebene Beispiel 1 und das Vergleichsbeispiel bereitgestellt wurde, worin die Beziehung zwischen der Konzentration an C₃H₈ als entflammbares Gas, das in einem Messgas enthalten war, und dem Pumpstromwert Ip2, der zwischen der Detektionselektrode 82 und der Bezugselektrode 74 der Messpumpzelle 84 fließt, beobachtet wurde. Die im zweiten veranschaulichenden Versuch erzielten Ergebnisse werden in 10 gezeigt.
In 10 stellt eine charakteristische Kurve, die durch eine durchgehende Linie dargestellt ist, ein in Beispiel 1 erhaltenes Versuchsergebnis dar, und eine charakteristische Kurve, die durch eine strichlierte Linie dargestellt ist, stellt ein im Vergleichsbeispiel erhaltenes Versuchsergebnis dar. Gemäß den in 10 gezeigten Versuchsergebnissen ist die Versetzung, die erzielt wird, wenn die C₃H₈-Konzentration gleich null ist, in Beispiel 1 im Vergleich zum Vergleichsbeispiel etwa gleich null, da das Eindringen von überflüssigem von außen in Beispiel 1 auf angemessene Weise vermieden wird. Daher kann die C₃H₈-Konzentration ausgehend von einer beliebigen Konzentration mit extrem hoher Genauigkeit gemessen werden.

Claims

Gassensor, umfassend: ein Haupt-Pumpmittel (68), das eine innere und eine äußere Pumpelektrode (64, 66) umfasst, die innerhalb und außerhalb einer ersten Kammer (60) angeordnet sind, die durch Wandflächen definiert ist, die eine Oberfläche eines Substrats umfassen, das aus einem Sauerstoffion-leitenden Trockenelektrolyt besteht, auf dem die Pumpelektroden angeordnet sind, zur Durchführung eines Pumpvorgangs für Sauerstoff, das in einem Messgas enthalten ist, das von einem Außenraum in die erste Kammer (60) eingeleitet wird, auf Basis einer Steuerspannung (Vp1), die zwischen der inneren und der äußeren Pumpelektrode (64, 66) angelegt wird; und ein ein elektrisches Signal erzeugendes Umwandlungsmittel, das eine innere und eine äußere Detektionselektrode (82 oder 132, 74) umfasst, die innerhalb und außerhalb einer zweiten Kammer (62) angeordnet sind, die von Wandflächen definiert wird, die eine Oberfläche eines Substrats umfassen, das aus einem Sauerstoffion-leitenden Trockenelektrolyt gebildet ist, auf dem die Detektionselektroden angeordnet sind, zum Abbauen einer vorbestimmten Gaskomponente, die im Messgas enthalten ist, nachdem es dem Pumpvorgang unterzogen worden ist, der vom Haupt-Pumpmittel (68) durchgeführt wird, mithilfe von Katalysewirkung und/oder Elektrolyse, um durch Umwandlung ein elektrisches Signal (Ip2 oder V2) zu erzeugen, das einer durch den Abbau erzeugten Sauerstoffmenge entspricht; wobei der Gassensor erzeugt wird, indem isolierende Schichten und leitende Schichten auf einer Vielzahl grüner Trockenelektrolyt-Bahnen ausgebildet werden und die Vielzahl grüner Bahnen aufeinandergeschichtet und durch Brennen zu einer Einheit kombiniert werden, worin: zumindest eine leitende Schicht, die einen Zuleitungsdraht (102d) bildet, der mit der Detektionselektrode (82, 132) in der zweiten Kammer (62) verbunden ist, durch verdichtetes isolierendes Material isoliert wird, das eine solche isolierende Schicht (104d; 112d; 114d, 116d) bildet, so dass eine Sauerstoff-Konzentration, die vom Haupt-Pumpmittel (68) in der ersten Kammer (60) gesteuert wird, in der zweiten Kammer (62) in einem vorbestimmten Bereich gehalten wird; und die vorbestimmte Gaskomponente, die im Messgas enthalten ist, auf Basis des elektrischen Signals (Ip2 oder V2) gemessen wird, das von dem ein elektrisches Signal erzeugenden Umwandlungsmittel zugeführt wird; worin die isolierende Schicht, die den Zuleitungsdraht (102d) isoliert, einen Abschnitt der Länge des Zuleitungsdrahts (102d) in der gebrannten Einheit unisoliert lässt, der ausgewählt ist aus: (i) einem Abschnitt seiner Länge, der sich von der isolierenden Schicht (104d) zu einer Wandfläche der zweiten Kammer erstreckt, (ii) einem Abschnitt seiner Länge, der sich von der isolierenden Schicht (112d) zu einer Position erstreckt, an der der Zuleitungsdraht (102d) zur Außenseite des Gassensors geführt wird, und (iii) zumindest einem Abschnitt davon in der gebrannten Einheit an einem Zwischenraum zwischen beabstandeten Abschnitten (114d, 116d) der isolierenden Schicht.
Gassensor nach Anspruch 1, worin das ein elektrisches Signal erzeugende Umwandlungsmittel umfasst: ein Messpumpmittel (84), das die innere und die äußere Detektionselektrode (82, 74) umfasst, die innerhalb und außerhalb der zweiten Kammer (62) angeordnet sind, um die vorbestimmte Gaskomponente abzubauen, die im Messgas enthalten ist, nachdem es dem vom Haupt-Pumpmittel (68) durchgeführten Pumpvorgang unterzogen worden ist, mithilfe der Katalysewirkung und/oder Elektrolyse, und das Durchführen eines Pumpvorgangs für den durch den Abbau erzeugten Sauerstoff auf Basis einer Messpumpspannung (Vp2), die zwischen der inneren und der äußeren Detektionselektrode (82, 74) angelegt wird; und ein Stromdetektionsmittel (88) zum Detektieren eines Pumpstroms (Ip2), der entsprechend einer Menge des Sauerstoffs erzeugt wird, der dem vom Mess-Pumpmittel (84) durchgeführten Pumpvorgang unterzogen wird, worin: die vorbestimmte Gaskomponente im Messgas auf Basis des vom Stromdetektionsmittel (88) detektierten Pumpstroms (Ip2) gemessen wird.
Gasssensor nach Anspruch 1 oder 2, worin das ein elektrisches Signal erzeugende Umwandlungsmittel umfasst: ein Konzentrationsdetektionsmittel (130), das die innere und die äußere Detektionselektrode (132, 74) umfasst, die innerhalb und außerhalb der zweiten Kammer (62) angeordnet sind, um die vorbestimmte Gaskomponente abzubauen, die im Messgas enthalten ist, nachdem es dem vom Haupt-Pumpmittel (68) durchgeführten Pumpvorgang unterzogen worden ist, mithilfe der Katalysewirkung, und eine elektromotorische Kraft (V2) zu erzeugen, die einer Differenz zwischen der durch den Abbau erzeugten Sauerstoffmenge und einer Sauerstoffmenge entspricht, die in einem Gas enthalten ist, das auf einer Seite der äußeren Detektionselektrode (74) vorliegt; und ein Spannungsdetektionsmittel (134) zum Detektieren der elektromotorischen Kraft (V2), die vom Konzentrationdetektionsmittel (130) erzeugt wird, worin: die vorbestimmte Gaskomponente im Messgas auf Basis der elektromotorischen Kraft (V2) gemessen wird, die vom Spannungsdetektionsmittel (134) detektiert wird.
Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin die vorbestimmte Gaskomponente ein Oxid ist.
Gassensor nach Anspruch 4, worin das Oxid ein Stickstoffoxid ist.
Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin die vorbestimmte Gaskomponente ein entflammbares Gas ist und das Haupt-Pumpmittel (68) so betätigt wird, dass die Atmosphäre in der ersten Kammer (60) so eingestellt wird, dass sie eine vorbestimmte Sauerstoffmenge enthält, bei der das entflammbare Gas nicht brennt.
Gassensor nach Anspruch 6, worin das entflammbare Gas eines aus Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoff ist.
Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, worin das isolierende Material aus einem Material mit einer Porosität nicht über 10% besteht.
Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, worin die innere Detektionselektrode (82 oder 132) in der zweiten Kammer (62) in einem vorbestimmten Abstand von einer Wandfläche angeordnet ist, bei dem der Zuleitungsdraht (102d) zumindest zur inneren Detektionselektrode (32 oder 132) geführt ist, und durch diesen getrennt ist.
Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, weiters umfassend ein Hilfs-Pumpmittel (142), das eine innere und eine äußere Hilfs-Pumpelektrode (144, 74) umfasst, die innerhalb und außerhalb der zweiten Kammer (62) angeordnet sind, um einen Pumpvorgang für Sauerstoff, das im Messgas enthalten ist, nachdem es dem vom Haupt-Pumpmittel (68) durchgeführten Pumpvorgang unterzogen wurde, auf Basis einer Hilfs-Pumpspannung (Vp3), die zwischen der inneren und der äußeren Hilfs-Pumpelektrode (144, 74) angelegt wird, durchzuführen.
Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, weiters umfassend: ein Konzentrationsmessmittel (76), das eine innere Messelektrode (72), die gegenüber der ersten Kammer (60) frei liegt, und eine äußere Messelektrode (74) umfasst, die gegenüber einem Bezugsgas-Einleiteraum (54) frei liegt, um eine elektromotorische Kraft (V1) einer Sauerstoffkonzentrationszelle, die zwischen der inneren und der äußeren Messelektrode (72, 74) erzeugt wird, als Sauerstoff-Partialdruck in der ersten Kammer (60) zu messen; und ein Haupt-Pumpsteuerungsmittel (80), um eine Höhe der Steuerungsspannung (Vp1) so einzustellen, dass die vom Konzentrationsmessmittel (76) detektierte elektromotorische Kraft (V1) der Sauerstoff-Konzentrationszelle einen vorbestimmten Wert hat, worin: eine solche isolierende Schicht (104a), die aus dem isolierenden Material besteht, für einen Zuleitungsdraht (102a, 102d) angeordnet ist, der mit der inneren Messelektrode (72) in der ersten Kammer (60) und/oder der inneren Detektionselektrode (82 oder 132) verbunden ist.