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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung:
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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf einen Gassensor zum Messen von Oxiden wie NO, NO2, SO2, CO2 und H2O, die z.
B. in Atmosphärenluft und
von Fahrzeugen oder Automobilen abgegebenen Abgasen enthalten sind,
sowie von entflammbaren Gasen wie CO und CnHm.
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Beschreibung des Stands
der Technik:
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Verschiedene Messsysteme und -vorrichtungen
sind bisher nahegelegt worden, um die Konzentration einer gewünschten
Gaskomponente in einem Messgas zu ermitteln.
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Die als zum Messen von NOx in einem Messgas,
wie z. B. ein Verbrennungsgas bekannten Verfahren schließen eine
Technik ein, bei der die NOx-reduzierende Fähigkeit von Rh herangezogen wird,
wobei ein Sensor verwendet wird, der eine auf einem Sauerstoffionen-leitenden
Trockenelektrolyt wie Zirconiumoxid ausgebildete Pt-Elektrode und Rh-Elektrode
umfasst, um eine zwischen den beiden Elektroden erzeugte elektromotorische
Kraft zu messen.
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Der oben beschriebene Sensor weist
folgendes Problem auf: die elektromotorische Kraft verändert sich
in Abhängigkeit
von der Änderung
der Sauerstoffkonzentration in einem Verbrennungsgas als Messgas
stark. Darüber
hinaus ist die Änderung
der elektromotorischen Kraft in Bezug auf die Veränderung
in der NOx-Konzentration gering. Aus diesem Grund neigt der herkömmliche
Sensor dazu, durch Rauschen nachteilig beeinflusst zu werden. Um
die NOx-reduzierende Eigenschaft zum Tragen zu bringen, muss ein
Reduktionsgas wie CO verwendet werden. Daher ist die Menge an erzeugtem
CO bei einer mageren Brennstoffverbrennung, bei der eine große Menge
an NOx erzeugt wird, im Allgemeinen geringer als die Menge an erzeugtem
NOx. Der herkömmliche
Sensor weist daher den Nachteil auf, dass es unmöglich ist, eine Messung für ein unter
einer solchen Verbrennungsbedingung erzeugtes Verbrennungsgas durchzuführen.
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In den japanischen Patentoffenlegungsschriften
Nr. 63-38154 und 64-39545 ist z. B. ein System offenbart worden,
in dem ein Paar aus einer elektrochemischen Pumpzelle und einer
Sensorzelle, das eine Pt-Elektrode und einen Sauerstoffionenleitenden
Trockenelektrolyt umfasst, mit einem anderen Paar aus einer elektrochemischen
Pumpzelle und einer Sensorzelle, das eine Rh-Elektrode und einen Sauerstoffionen-leitenden
Trockenelektrolyt umfasst, kombiniert, um NOx in Übereinstimmung
mit einer Differenz zwischen jeweiligen Pumpstromwerten zu messen.
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Die japanischen Patentoffenlegungsschriften Nr.
1-277751 und 2-1543 offenbaren z. B. das folgende Verfahren: Zwei
Paare elektrochemischer Pumpzellen und Sensorzellen werden hergestellt.
Der Grenz-Pumpstrom wird bei einem Sauerstoffpartialdruck gemessen,
bei dem NOx nicht reduziert wird, indem ein Sensor, der eines der
Paare an Pumpzellen und Sensorzellen umfasst, verwendet wird, während der
Grenz-Pumpstrom bei einem Sauerstoffpartialdruck gemessen wird,
bei dem NOx reduziert wird, indem ein Sensor, der das andere Paar
an Pumpzellen und Sensorzellen umfasst, verwendet wird, so dass
die Differenz zwischen den Grenz-Pumpströmen ermittelt
wird. Abgesehen davon wird die Differenz beim Grenz-Strom durch
die Verwendung eines Sensors, der ein Paar an Pump- und Sensorzellen umfasst,
gemessen, während
der Sauerstoffpartialdruck in einem Messgas zwischen einem Sauerstoffpartialdruck,
bei dem NOx reduziert wird, und einem Sauerstoffpartialdruck, bei
dem NOx nicht reduziert wird, geschaltet wird Die EP-A-769693 offenbart
verschiedene Sauerstoffsensoren, unter denen einige eine erste Prozesszone,
in der der Sauerstoffpartialdruck des zu messenden Gases durch eine
erste Pumpzelle gesenkt wird, sowie eine zweite Prozesszone beinhalten,
die durch einen Diffusionsbereich von der ersten Zone getrennt ist
und in der der Sauerstoffpartialdruck weiters durch eine zweite
Pumpzelle gesteuert wird und Sauerstoff durch Reduktion oder Abbau
einer Komponente des Gases erzeugt wird, wobei die so produzierte
Sauerstoffmenge von einer dritten Pumpzelle oder einer elektrochemischen
Sensorzelle detektiert wird. Eine Sensorzelle detektiert den Sauerstoffpartialdruck
in der ersten Prozesszone und stellt ein Signal zum Steuern der ersten
Pumpzelle bereit.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf den oben beschriebenen Gassensor, wobei es ein Ziel davon
ist, einen Gassensor bereitzustellen, der eine Selbstdiagnosefunktion
hat, die rasch und zuverlässig
detektieren kann, ob beim Gassensor ein Problem (Fehlfunktion) vorliegt
oder nicht.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung
wird ein Gassensor nach Anspruch 1 bereitgestellt.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung
wird zuerst der im Messgas enthaltene Sauerstoff von einem Außenraum
eingeleitet, durch das Hauptpumpmittel in einem Pumpvorgang verarbeitet
und auf eine vorbestimmte Konzentration eingestellt. Das Messgas, das
durch das Hauptpumpmittel auf die Sauerstoffkonzentration eingestellt
worden ist, wird dann im nächsten
Schritt in das ein elektrisches Signal erzeugende Umwandlungsmittel
eingeführt.
Das ein elektrisches Signal erzeugende Umwandlungsmittel baut die
im eingeführten
Messgas enthaltene Messgaskomponente durch katalytische Wirkung
und/oder Elektrolyse ab, damit die Umwandlung in das elektrische
Signal in Übereinstimmung
mit der durch den Abbau erzeugten Sauerstoffmenge erfolgt. Die im Messgas
enthaltene Messgaskomponente wird auf Basis des elektrischen Signals
gemessen, das von dem ein elektrisches Signal erzeugenden Umwandlungsmittel
geliefert wird.
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Der beschriebene Detektionsvorgang
wird üblicherveise
durchgeführt,
während
zumindest das Hauptpumpmittel und das ein elektrisches Signal erzeugendes
Umwandlungsmittel durch ein Heizelement auf vorbestimmte Temperaturen
geheizt werden. Der Anteil der vorbestimmten Komponente wird daher
durch die Ver wendung des ein elektrisches Signal erzeugenden Umwandlungsmittels
sehr exakt detektiert.
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Die vorbestimmten Gaskomponenten
schließen
z. B. NO und die Messgaskomponenten z. B. NOx ein.
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Wenn das ein elektrisches Signal
erzeugende Umwandlungsmittel ein Messpumpmittel umfasst, wird das
Messgas, das durch das Hauptpumpmittel an die Sauerstoffkonzentration
angepasst worden ist, in das Messpumpmittel eingeleitet.
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Das Messpumpmittel baut die Messgaskomponente
nach der Pump-Verarbeitung durch das Hauptpumpmittel anhand katalytischer
Wirkung und/oder Elektrolyse ab und Pump-verarbeitet den beim Abbauen
erzeugten Sauerstoff. Die vorbestimmte Gaskomponente, die einer
Sauerstoffmenge entspricht, wird auf Basis eines im Messpumpmittel
in Übereinstimmung
mit der durch das Messpumpmittel Pumpverarbeiteten Sauerstoffmenge
gemessen.
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Bei einer weiteren Ausführungsform
umfasst das ein elektrisches Signal erzeugende Umwandlungsmittel
ein Konzentration-Detektionsmittel. In diesem Fall wird das Messgas,
das durch das Hauptpumpmittel an die Sauerstoffkonzentration angepasst
worden ist, im nächsten
Schritt in das Konzentration-Detektionsmittel eingeführt. Eine
elektromotorische Kraft einer Sauerstoffkonzentrationszelle wird im
Konzentration-Detektionsmittel erzeugt, die einer Differenz zwischen
der Sauerstoffmenge in einem Bezugsgas und der Sauerstoffmenge,
die beim Abbauen der vorbestimmten im Messgas enthaltenen Gaskomponente
produziert wird, entspricht. Die vorbestimmte, der Sauerstoffmenge
entsprechende Gaskomponente wird auf Basis der elektromotorischen
Kraft gemessen.
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Während
dem Zeitraum in dem der Messvorgang für die vorbestimmte Gaskomponente
durchgeführt
wird, wird die Konzentration des Sauerstoffs, der nach der Pump-Verarbeitung
durch das Hauptpumpmittel im Messgas enthalten ist, mit Hilfe des Sauerstoffkonzentration-Detektionsmittels
detektiert. Zudem wird das Haupt pumpmittel auf Basis der Differenz
zwischen dem detektierten Wert, der vom Sauerstoffkonzentration-Detektionsmittel
bereitgestellt wird, und dem zweiten Referenzwert durch das Korrektursteuerungsmittel
korrigiert und gesteuert. Dadurch wird die im Messgas enthaltene
Sauerstoffkonzentration nach der Pump-Verarbeitung durch das Hauptpumpmittel
konstant gehalten.
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Es ist dementsprechend möglich, eine
Präzisionsverschlechterung
zu verhindern, die ansonsten aufgrund des Austretens und Eindringens
von Sauerstoff verursacht durch die starke Veränderung in der Sauerstoffkonzentration
im Messgas auftreten würde.
Zudem ist es möglich,
eine Präzisionsverschlechterung
zu verhindern, die ansonsten mit einem geringen Abbau von H2O durch den Anstieg in der H2O-Konzentration im
Messgas verknüpft
wäre. Darüber hinaus
ist es möglich,
das Auftreten zweier Arten von Präzisionsverschlechterung zu
verhindern, die ansonsten durch die Temperaturveränderung
verursacht werden würden,
sowie zweier Arten von Präzisionsverschlechterung,
die ansonsten durch den Verfall des Hauptpumpmittels verursacht
werden würden,
zu verhindern.
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Beim Gassensor gemäß der vorliegenden Erfindung
wird das Selbstdiagnosemittel dazu verwendet, den vom Sauerstoffkonzentration-Detektionsmittel
bereitgestellten detektierten Wert mit dem vorbestimmten Bereich
zu vergleichen, so dass auf Basis des Vergleichsergebnisses ermittelt
wird, ob eine Fehlfunktion vorliegt.
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Im Allgemeinen wird das Hauptpumpmittel des
Gassensors so betrieben, dass der im Messgas, das vom Außenraum
in den Prozessraum eingeleitet wird, enthaltene Sauerstoff in Übereinstimmung
mit dem vom Hauptpumpsteuerungsmittel durchgeführten Steuerungsvorgang Pump-verarbeitet
wird, so dass der Sauerstoffpartialdruckwert im Prozessraum dem
vorbestimmten Wert entspricht, bei dem die Messgaskomponente als
Messobjekt nicht abbaubar ist.
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Wenn die Konzentration des im Messgas nach
der Pump-Verarbeitung durch das Hauptpumpmittel enthaltenen Sauerstoffs
nicht konstant gehalten werden kann, obwohl das Hauptpumpmittel
mit Hilfe des Korrektursteuerungsmittels korrigiert und gesteuert
worden ist – wenn
also der vom Sauerstoffkonzentration-Detektionsmittel bereitgestellte
Wert nicht im vorbestimmten Bereich liegt –, dann ist der Gassensor aus
irgendeinem Grund (z. B. Ausschalten des Steuerungssystems oder
des Heizelements oder Fehlfunktion der Elektrode) außer Betrieb.
Bei der vorliegenden Erfindung wird anhand der vorhergehenden Prinzipien
entschieden, ob im Gassensor ein Problem aufgetreten ist oder nicht.
Dementsprechend macht es die vorliegende Erfindung möglich, schnell
und verlässlich
zu detektieren, ob derzeit im Gassensor eine Fehlfunktion vorliegt.
Es ist daher möglich,
rasch zu reagieren, um den Gassensor instandzuhalten und zu betreiben.
Eine Fehlfunktion der Elektrode wird durch Beladung und Abblättern der
Elektrode aufgrund von Wärmeschäden und
eine Abnahme der katalytischen Wirkung der Elektrode aufgrund von
z. B. Vergiftung und Verstopfung ersichtlich.
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Beim oben beschriebenen Gassensor
gemäß der vorliegenden
Erfindung umfasst das Sauerstoffkonzentration-Detektionsmittel vorzugsweise
ein Nebenpumpmittel zum Pump-Verarbeiten von Sauerstoff, der im
Messgas nach der Pump-Verarbeitung durch das Hauptpumpmittel enthalten
ist, und ein Wert eines Pumpstroms, der durch das Nebenpumpmittel
fließt,
wird als detektierter Sauerstoffkonzentrationswert herangezogen.
Alternativ dazu umfasst das Sauerstoffkonzentration-Detektionsmittel
vorzugsweise ein Sauerstoffpartialdruck-Detektionsmittel, um eine
Differenz im Partialdruck zwischen dem Sauerstoff, der nach der
Pumpverarbeitung durch das Hauptpumpmittel im Messgas enthalten
ist, und dem im Bezugsgaszwischenraum enthaltenen Sauerstoff zu
detektieren, und ein Wert einer auf Basis der Differenz im Partialdruck
erzeugten elektromotorischen Kraft wird als Sauerstoffkonzentration-Detektionswert
herangezogen.
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Das Korrektursteuerungsmittel kann
ein Vergleichsmittel, um die Differenz zwischen dem vom Sauerstoffkonzentration-Detektionsmittel
bereitgestellten detektierten Wert und dem zweiten Referenzwert
zu ermitteln, und ein Referenzwert-Korrekturmittel umfassen, um
die vom Vergleichsmittel als ersten Referenzwert für das Hauptpumpmittel
bereitgestellte Differenz wiederzugeben.
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Der Gassensor gemäß der vorliegenden Erfindung
kann so konstruiert sein, dass das Selbstdiagnosemittel feststellt,
dass ein Problem vorhanden ist, wenn der vom Sauerstoffkonzentration-Detektionsmittel
bereitgestellte detektierte Wert über einen vorbestimmten Zeitraum
nicht im vorbestimmten Bereich liegt.
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In dieser Ausführungsform umfasst das Selbstdiagnosemittel
ein Vergleichsmittel, um den vom Sauerstoffkonzentration-Detektionsmittel
bereitgestellten detektierten Wert mit dem vorbestimmten Bereich
zu vergleichen, und ein Überwachungsmittel, um
eine vom Vergleichsmittel bereitgestellte Vergleichsausgangsgröße temporär oder periodisch
zu überwachen
und zu beurteilen, ob es zu Problemen gekommen ist, wenn die Vergleichsausgangsgröße über einen
vorbestimmten Zeitraum nicht im vorbestimmten Bereich liegt.
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Das Überwachungsmittel kann die
vom Vergleichsmittel gelieferte Vergleichsausgangsgröße über den
vorbestimmten Zeitraum überwachen, wenn
ein vorbestimmter Zustand erfüllt
worden ist. Alternativ kann das Überwachungsmittel
die vom Vergleichsmittel in Intervallen mit einer vorbestimmten
Zeitdauer gelieferten Vergleichsausgangsgrößen überwachen. Als eine weitere
Alternative kann das Überwachungsmittel
in Übereinstimmung
mit einer Kombination der oben beschriebenen Verfahren betrieben
werden.
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Wie oben beschrieben wurde, ist es
gemäß des Gassensors
in Bezug auf die vorliegenden Erfindung möglich, rasch und verlässlich zu
detektieren, ob im Gassensor derzeit eine Fehlfunktion vorliegt. Dadurch
wird eine rasche Reaktion ermöglicht,
um den Gassensor instandzuhalten und zu betreiben.
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Die obigen sowie weitere Ziele, Merkmale und
Vorteile der vorliegende Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung
in Verbindung mit den begleitenden Abbildungen, in denen eine bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung anhand eines Illustrationsbeispiels gezeigt
wird, deutlicher hervor.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ABBILDUNGEN
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1 zeigt
eine Querschnittsansicht, die einen Gassensor gemäß einer
ersten Ausführungsform
veranschaulicht;
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2 zeigt
eine Anordnung eines Korrektursteuerungssystems und eines Rückkopplungssteuerungssystems
für eine
Hauptpumpzelle des Gassensors gemäß der ersten Ausführungsform;
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3 zeigt
ein Blockschaltbild, das ein spezifisches Beispiel einer mit dem
Gassensor verbundenen Selbstdiagnoseeinheit gemäß der ersten Ausführungsform
veranschaulicht;
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4 zeigt
einen Zeitablaufplan, der ein Beispiel einer Signalverarbeitung
durch die Selbstdiagnoseeinheit veranschaulicht, wenn der Gassensor normal
betrieben wird;
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5 zeigt
einen Zeitablaufplan, der ein Beispiel einer Signalverarbeitung
durch die Selbstdiagnoseeinheit veranschaulicht, wenn der Gassensor nicht
normal betrieben wird;
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6 zeigt
eine Querschnittsansicht, die eine erste modifizierte Ausführungsform
des Gassensors gemäß der ersten
Ausführungsform
darstellt;
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7 zeigt
eine Querschnittsansicht, die eine zweite modifizierte Ausführungsform
des Gassensors gemäß der ersten
Ausführungsform
darstellt;
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8 zeigt
eine Querschnittsansicht, die einen Gassensor gemäß einer
zweiten Ausführungsform
darstellt;
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9 zeigt
eine Anordnung eines Korrektursteuerungssystems und eines Rückkopplungssteuerungssystems
für eine
Hauptpumpzelle des Gassensors gemäß der zweiten Ausführungsform;
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10 zeigt
eine Querschnittsansicht, die eine erste Ausführungsform des Gassensors gemäß der zweiten
Ausführungsform
veranschaulicht; und
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11 zeigt
eine Querschnittsansicht, die eine zweite Ausführungsform des Gassensors gemäß der zweiten
Ausführungsform
veranschaulicht.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Mit Verweis auf die 1 bis 11 werden mehrere
Illustrationsbeispiele erklärt,
in denen der Gassensor gemäß der vorliegenden
Erfindung bei Gassensoren verwendet wird, um Oxide wie NO, NO2, SO2, CO2 und H2O, die z.
B. in Atmosphärenluft und
Abgasen von Fahrzeugen oder Automobilen enthalten sind, und entzündliche
Gase wie CO und CnHm zu messen.
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Zuerst umfasst ein Gassensor 10A gemäß der ersten
Ausführungsform,
wie in 1 dargestellt ist,
sechs aufeinandergeschichtete Trockenelektrolytschichten 12a bis 12f,
die aus Keramikmaterialien auf Basis der Verwendung von Sauerstoffionenleitenden
Trockenelektrolyten wie ZrO2 bestehen. Eine erste
und eine zweite Schicht vom Boden aus werden als erste bzw. zweite
Substratschicht 12a, 12b bezeichnet. Eine dritte
und eine fünfte
Schicht vom Boden aus werden als erste bzw. zweite Abstandshalterschicht 12c, 12e bezeichnet.
Eine vierte und eine sechste Schicht vom Boden aus werden als erste bzw.
zweite Trockenelektrolytschicht 12d, 12f bezeichnet.
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Genauer gesagt ist die erste Abstandshalterschicht 12c auf
die zweite Substratschicht 12b aufgeschichtet. Die erste
Trockenelektrolytschicht 12d, die zweite Abstandshalterschicht 12e und
die zweite Trockenelektrolytschicht 12f sind nacheinander
auf die erste Abstandshalterschicht 12c aufgeschichtet.
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Ein Raum (Bezugsgas-Einleiteraum) 14,
in den ein Bezugsgas wie Atmosphärenluft
zur Verwendung als Bezug zum Messen von Oxiden eingeleitet wird,
ist zwischen der zweiten Substratschicht 12b und der ersten
Trockenelektrolytschicht 12d gebildet, wobei der Raum 14 durch
eine Unterfläche
der ersten Trockenelektrolytschicht 12d, eine Deckfläche der zweiten
Substratschicht 12b und Seitenflächen der ersten Abstandshalterschicht 12c unterteilt
ist.
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Die zweite Abstandshalterschicht 12e ist
zwischen der ersten und der zweiten Trockenelektrolytschicht 12d, 12f angeordnet.
Ein erster und ein zweiter Diffusionsraten-Bestimmungsabschnitt 16, 18 sind
ebenfalls zwischen der ersten und der zweiten Trockenelektrolytschicht 12d, 12f angeordnet.
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Eine erste Kammer 20 zum
Einstellen des Sauerstoffpartialdrucks in einem Messgas wird gebildet
und durch eine Unterfläche
der zweiten Trockenelektrolytschicht 12f, Seitenflächen des
ersten und des zweiten Diffusionsraten-Bestimmungsabschnitts 16, 18 und
eine Deckfläche
der ersten Trockenelektrolytschicht 12d unterteilt. Eine
zweite Kammer 22 zur Feineinstellung des Sauerstoffpartialdrucks
im Messgas und den Messoxiden, beispielsweise Stickstoffoxiden (NOx) im Messgas, wird gebildet und durch eine
Unterfläche
der zweiten Trockenelektrolytschicht 12f, eine Seitenfläche des
zweiten Diffusionsraten-Bestimmungsabschnitts 18, eine
Seitenfläche
der zweiten Abstandshalterschicht 12e und eine Deckfläche der
ersten Trockenelektrolytschicht 12d unterteilt.
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Der Außenraum kommuniziert mit der
ersten Kammer 20 durch den ersten Diffusionsraten-Bestimmungsabschnitt 16,
und die erste Kammer 20 kommuniziert mit der zweiten Kammer 22 durch
den zweiten Diffusionsraten-Bestimmungsabschnitt 18.
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Der erste und der zweite Diffusionsraten-Bestimmungsabschnitt 16, 18 verleihen
dem Messgas, das in die erste bzw. die zweite Kammer 20, 22 einzuleiten
ist, einen vorbestimmten Diffusionswiderstand. Jeder aus dem ersten
und dem zweiten Diffusionsraten-Bestimmungsabschnitt 16, 18 kann
als Durchgang ausgebildet sein, der beispielsweise aus einem porösen Material
(z. B. ein poröser
Presskörper
aus ZrO2 oder dergleichen) besteht, oder
als ein kleines Loch mit einer vorbestimmten Querschnittsfläche, so
dass das Messgas eingeleitet werden kann. Alternativ dazu kann jeder
der ersten und zweiten Diffusionraten-Bestimmungsabschnitte 16, 18 durch
eine Zwischenschicht oder eine poröse Schicht, die durch Drucken
hergestellt wird, konstruiert sein. In dieser Ausführungsform
spielt die vergleichsmäßige Größenordnung
des Diffusionswiderstands des ersten und des zweiten Diffusionsraten-Bestimmungsabschnitts 16, 18 keine
Rolle. Es wird jedoch bevorzugt, dass der Diffusionwiderstand des
zweiten Diffusionsraten-Bestimmungsabschnitts 18 größer ist
als der des ersten Diffusionsraten-Bestimmungsabschnitts 16.
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Die Atmosphäre der ersten Kammer 29 wird unter
dem vorbestimmten Diffusionswiderstand durch den zweiten Diffusionsraten-Bestimmungsabschnitt 18 in
die zweite Kammer 22 eingeleitet.
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Eine innere Pumpelektrode 24 aus
einer porösen
Cermetelektrode mit einer im Wesentlichen rechteckigen planaren
Konfiguration ist auf dem gesamten Unterflächenabschnitt zur Ausbildung
der zweiten Trockenelektrolytschicht 12f ausgebildet, um die
erste Kammer 20 zu formen. Eine äußere Pumpelektrode 26 ist
auf einem der inneren Pumpelektrode 24 entsprechenden Abschnitt
der Deckfläche
der zweiten Trockenelektrolytschicht 12f ausgebildet. Eine
elektrochemische Pumpzelle, d.h. eine Hauptpumpzelle 28 wird
durch die innere Pumpelektrode 24, die äußere Pumpelektrode 26 und
die zweite Trockenelektrolytschicht 12f, die zwischen den
beiden Elektroden 24, 26 angeordnet ist, ausgebildet.
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Eine erwünschte Steuerspannung (Pumpspannung)
Vp0 wird mithilfe einer äußeren variablen Stromquelle 30 zwischen
der inneren Pumpelektrode 24 und der äußeren Pumpelektrode 26 der
Hauptpumpzelle 28 angelegt, um es zu ermöglichen,
dass ein Pumpstrom Ip0 in einer positiven oder negativen Richtung
zwischen der äußeren Pumpelektrode 26 und
der inneren Pumpelektrode 24 fließt. So kann der Sauerstoff
in der Atmosphäre
in der ersten Kammer 20 nach außen in den Außenraum hinausgepumpt werden,
oder der Sauerstoff im Außenraum
kann in die erste Kammer 20 eingepumpt werden.
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Eine Bezugselektrode 32 ist
auf einem Unterflächenabschnitt
der Unterfläche
der ersten Trockenelektrolytschicht 12d ausgebildet, der
zum Bezugsgas-Einleiterraum 14 hin freiliegt. Eine elektrochemische
Sensorzelle, d. h. eine Steuer-Sauerstoffpartialdruck-Detektionszelle 34 ist
durch die innere Pumpelektrode 24, die Bezugselektrode 32,
die zweite Trockenelektrolytschicht 12f, die zweite Abstandshalterschicht 12e und
die erste Trockenelektrolytschicht 12d ausgebildet.
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Die Steuer-Sauerstoffpartialdruck-Detektionszelle 34 wird
wie folgt betrieben: Eine elektromotorische Kraft (Spannung) V0
wird zwischen der inneren Pumpelektrode 24 und der Bezugselektrode 32 auf
Basis einer Differenz in der Sauerstoffkonzentration zwischen der
Atmosphäre
in der ersten Kammer 20 und dem Bezugsgas (Atmosphärenluft)
im Bezugsgas-Einleiteraum 14 erzeugt. Der Sauerstoffpartialdruck
in der Atmosphäre
in der ersten Kammer 20 kann ermittelt werden, indem die
erzeugte elektromotorische Kraft V0 herangezogen wird.
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Genauer gesagt ist die Spannung V0,
die zwischen der Bezugselektrode 32 und der inneren Pumpelektrode 24 erzeugt
wird, eine elektromotorische Kraft der Sauerstoffkonzentrationszelle,
die auf Basis der Differenz zwischen dem Sauerstoffpartialdruck
im Bezugsgas, das in den Bezugsgas-Einleiteraum 14 eingeleitet
wird, und dem Sauerstoffpartialdruck im Messgas in der ersten Kammer 20 erzeugt wird.
Die Spannung V0 hat die folgende Beziehung, die als Nernst-Gleichung
bekannt ist: V0 = RT/4F·In(P1(O2)/PO(O2))R: Gaskonstante;
T: absolute
Temperatur;
F: Faraday-Konstante;
P1(O2)):
Sauerstoffpartialdruck in der ersten Kammer 20;
P0(O2)): Sauerstoffpartialdruck im Bezugsgas.
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Daher kann der Sauerstoffpartialdruck
in der ersten Kammer 20 detektiert werden, indem die Spannung
V0, die auf Basis der Nernst-Gleichung erzeugt wird, mithilfe des
Voltmeters 36 gemessen wird. Der ermittelte Wert des Sauerstoffpartialdrucks wird
eingesetzt, um die Pumpspannung Vp0 der variablen Spannungsquelle 30 mit
Hilfe eines Rückkopplungssteuerungssystems 38 zu
steuern. Genauer gesagt wird der Pumpvorgang, der von der Hauptpumpzelle 28 durchgeführt wird,
so reguliert, dass der Sauerstoffpartialdruck in der Atmosphäre in der
ersten Kammer 20 einen vorbestimmten Wert aufweist, der ausreichend
gering ist, um im nächsten
Schritt den Sauerstoffpartialdruck in der zweiten Kammer 22 zu steuern.
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Bei dieser Ausführungsform wird insbesondere
die Anschlussspannung zwischen der Bezugselektrode 32 und
der inneren Pumpelektrode 24 der Hauptpumpzelle 28 ohne
Zeitverzögerung
verändert (in
Echtzeit verändert),
wenn die durch die Hauptpumpzelle 28 herausgepumpte Sauerstoffmenge
sowie die Sauerstoffkonzentration in der ersten Kammer 20 verändert wird.
Es ist daher möglich,
das Oszillationsphänomen,
das ansonsten im Rückkopplungssteuerungssystem 38 verursacht
werden würde,
effektiv zu unterdrücken.
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Die innere Pumpelektrode 24 sowie
die äußere Pumpelektrode 26 bestehen
aus einem inerten Material, das eine geringe katalytische Wirkung
auf NOx hat, beispielsweise NO im Messgas,
das in die erste Kammer 20 eingeleitet wird. Spezifisch
können die
innere Pumpelektrode 24 und die äußere Pumpelektrode 26 aus
einer porösen
Cermetelektrode bestehen. Bei dieser Ausführungsform sind sie aus einem
Metall wie Pt und einer Keramik wie ZrO2 gebildet.
Insbesondere ist es notwendig, für
die innere Pumpelektrode 24, die in der ersten Kammer 20 angeordnet
ist, 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 24 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.
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Spezifisch umfasst ein Schaltkreissystem (Rückkoppelungssteuerungssytem) 38 zum
Durchführen
der Rückkoppelungssteuerung,
wie in 2 dargestellt,
einen ersten Differenzverstärker 40,
um eine Differenz zwischen einem elektrischen Potential Va der Bezugselektrode 32 und
einem elektrischen Potential Vb der inneren Pumpelektrode 24 zu
ermitteln und die ermittelte Differenz um ein vorbestimmtes Ausmaß zu verstärken, um
eine gemessene Spannung Vc als Ausgang zu erzeugen; einen zweiten
Differenzverstärker 42,
um eine Differenz zwischen dem Ausgang Vc des ersten Differenzverstärkers 40 und
einer ersten Bezugsspannung Vd zu ermitteln und die ermittelte Differenz
um ein vorbestimmtes Ausmaß zu
verstärken,
um ein Ausgangssignal zu erzeugen; und ein Signal-Verstärkungssystem 44,
das aus einem einstufigen oder mehrstufigen Verstärker besteht,
um den Ausgang Ve des zweiten Differenzverstärkers 42 um ein vorbestimmtes
Ausmaß zu
verstärken.
Bei dieser Ausführungsform
ist die Verdrahtung so gestaltet, dass der Ausgang des Signal-Verstärkungssystems 44,
d.h. die Spannung Vp0, an die äußere Pumpelektrode 26 der
Hauptpumpzelle 28 angelegt ist und die innere Pumpelektrode 24 geerdet
ist. Das Signal-Verstärkungssystem 44,
das zum Schluss angeordnet ist, dient dazu, die Hauptpumpzelle 28 durch
Verstärken
des Signals, das aus dem vorhergehenden Schritt als niedriges Signal
mit der vorbestimmten Verstärkung
bereitgestellt wird, effizient zu betreiben.
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Dementsprechend wird das Messgas
zuerst durch den ersten Diffusionraten-Bestimmungsabschnitt 16 in
die erste Kammer 20 eingeleitet. Das elektrische Potential
Va der Bezugselektrode 32 und das elektrische Potential
Vb der inneren Pumpelektrode 24 werden zu diesem Zeitpunkt
zu jeweiligen Eingangsanschlüssen
des ersten Differenzverstärkers 40 zugeführt. Der
erste Differenzverstärker 40 gibt
die Differenz (gemessene Spannung) Vc zwischen den elektrischen
Potentialen Va, Vb aus. Die gemessene Spannung Vc wird z. B. an
einen invertierenden Anschluss des zweiten Differenzverstärkers 42 angelegt,
der stromab angeordnet ist. Der zweite Differenzverstärker 42 ermittelt
die Differenz zwischen der gemessenen Spannung Vc, die dem invertierenden
Anschluss zugeführt
wird, und der ersten Bezugsspannung Vd, die an einem nicht invertierenden
Anschluss bereit-gestellt wird. Das Spannungssignal Ve, das durch
Verstärkung
der bestimmten Differenz erhalten wird, wird an den Ausgangsanschluss
des zweiten Differenz-verstärkers 42 ausgegeben.
Das Spannungssignal Ve wird durch das Signal-Verstärkungssystem 44,
das stromab angeordnet ist, um die vorbestimmte Verstärkung verstärkt, und eine
erhaltene Spannung wird als Pumpspannung Vp0 an die äußere Pumpelektrode 26 der
Hauptpumpzelle 28 angelegt. In dieser Ausführungsform besitzt
die innere Pumpelektrode 24 das elektrische Erdpotential
(0V). Die Spannung zwischen den beiden Elektroden 24, 26 der
Hauptpumpzelle 28 entspricht daher der Pumpspannung Vp0,
die schlussendlich vom Signal-Verstärkungssystem 44 bereitgestellt
wird.
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Die Hauptpumpzelle 28 pumpt
daher Sauerstoff des in die erste Kammer 20 eingeleiteten
Messgases in einer der Pumpspannung Vp0 entsprechenden Menge hinaus
oder hinein. Die Sauerstoffkonzentration in der ersten Kammer 20 wird
einer Rückkoppelungssteuerung
unterzogen, um einem vorbestimmten Niveau zu entsprechen, indem
die oben beschriebene Reihenfolge an Abläufen wiederholt wird.
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Andererseits wird, wie in 1 dargestellt ist, eine
Hilfspumpelektrode 50 mit einer im Wesentlichen rechteckigen
planaren Konfiguration und bestehend aus einer porösen Cermetelektrode
auf dem gesamten Unterflächenabschnitt
der Unterfläche
der zweiten Trockenelektrolytschicht 12f ausgebildet, um die
zweite Kammer 22 zu formen. Eine elektrochemische Hilfspumpzelle,
d. h. eine Hilfspumpzelle 52, wird durch die Hilfspumpelektrode 50,
die Bezugselektrode 32 und die erste Trockenelektrolytschicht 12d ausgebildet.
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Die Hilfspumpelektrode 50 besteht
vorzugsweise aus einem Material mit einer schwachen Reduktionsfähigkeit
oder keiner Reduktionsfähigkeit
in Bezug auf die im Messgas enthaltene NO-Komponente, wie z. B.
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, wie dies auch bei der inneren Pumpelektrode 24 der
Hauptpumpzelle 28 der Fall ist. 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. Eine erwünschte konstante
Spannung Vp1 wird mit Hilfe der externe Stromquelle 54 zwischen
der Bezugselektrode 32 und der Hilfspumpelektrode 50 der
Hilfspumpzelle 52 angelegt. Der Sauerstoff in der Atmosphäre der zweiten
Kammer 22 kann somit aus dem Bezugsgas-Einleiteraum 14 herausgepumpt
werden. Dementsprechend kann der Sauerstoffpartialdruck in der Atmosphäre in der
zweiten Kammer 22 einen niedrigen Wert aufweisen, bei dem
die Messung der Menge der Zielkomponenten nicht wesentlich beeinträchtigt wird,
unter einer Bedingung bei der die Messgaskomponente (NOx) nicht wesentlich
reduziert oder abgebaut wird. Bei dieser Ausführungsform ist die Veränderung
der in die zweite Kammer 22 eingeführten Sauerstoffmenge aufgrund
des Betreibens der Hauptpumpzelle 28 in der ersten Kammer 20 im
Vergleich zur Veränderung
im Messgas deutlich reduziert. Dementsprechend kann der Sauerstoffpartialdruck
in der zweiten Kammer 22 genau gesteuert werden kann, so
dass er konstant ist.
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Beim Gassensor 10A gemäß der ersten
Ausführungsform
ist eine Detektionselektrode 56 mit einer im Wesentlichen
planaren Konfiguration und bestehend aus einer porösen Cermetelektrode
an einem Abschnitt ausgebildet, der vom zweiten Diffusionraten-Bestimmungsabschnitt 18 getrennt
ist und auf einem Deckflächenabschnitt
zum Ausbilden der zweiten Kammer 22 der Deckfläche der
ersten Trockenelektrolytschicht 12d angeordnet ist. Eine
elektrochemischen Pumpzelle, d.h. eine Messpumpzelle 58,
wird durch die Detektionselektrode 56, die Bezugselektrode 32 und
die erste Trockenelektrolytschicht 12d ausgebildet.
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Die Detektionselektrode 56 besteht
aus einem porösen
Cermet, das Zirconiumoxid als ein Keramik und Rh als ein Metall
umfasst, das NOx als die Messgaskomponente reduzieren kann. Dementsprechend
wirkt die Detektionselektrode 56 als NOx-Reduktionskatalysator,
um in der Atmosphäre
in der zweiten Kammer 22 vorhandenes NOx zu reduzieren.
Zudem kann der Sauerstoff in der Atmosphäre in der zweiten Kammer 22 durch
Anlegen einer konstanten Spannung Vp2 zwischen der Detektionselektrode 56 und
der Bezugselektrode 32 mit Hilfe einer Gleichstromquelle 60 in
den Bezugsgas-Einleiterraum 14 abgepumpt werden. Der Pumpstrom
Ip2, der in Übereinstimmung
mit dem durch die Messpumpzelle 58 durchgeführten Pumpvorgang
fließen
gelassen wird, wird durch einen Strommesser 62 detektiert.
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Die Gleichstromquelle 60 kann
eine Spannung mit einer solchen Größenordnung anlegen, dass ein
begrenzender Strom für
das Pumpen des während
dem Abbau in der Messpumpzelle 58 erzeugten Sauerstoffs
bereitgestellt wird.
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Der Gassensor 10A gemäß der ersten
Ausführungsform
umfasst weiters ein Heizelement 64, um in Übereinstimmung
mit der elektrischen Stromzufuhr von außen Wärme zu erzeugen. Das Heizelement 64 ist
vertikal zwischen der ersten und der zweiten Substratschicht 12a, 12b angeordnet
eingebettet. Das Heizelement 64 ist bereitgestellt, um
die Sauerstoffion-Leitfähigkeit
zu erhöhen.
Eine Keramikschicht 66 aus Aluminiumoxid oder dergleichen
ist ausgebildet, um Deck- und Unterfläche des Heizelements 64 zu
bedecken, so dass das Heizelement 64 von den Substratschichten 12a, 12b elektrisch
isoliert ist.
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Wie in 1 ersichtlich,
ist das Heizelement 64 über
den gesamten Abschnitt von der ersten Kammer 20 bis zur
zweiten Kammer 22 angeordnet. Dementsprechend die erste
Kammer 20 sowie die zweite Kammer 22 auf eine
vorbestimmte Temperatur erhitzt. Gleichzeitig wird auch sowohl die
Hauptpumpzelle 28, die Steuer-Sauerstoftpartialdruck-Detektionszelle 34,
die Hifspumpzelle 52 und die Messpumpzelle 58 auf
eine vorbestimmte Temperatur erhitzt und bei dieser Temperatur gehalten.
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Der Gassensor 10A gemäß der ersten
Ausführungsform
umfasst weiters ein Korrektursteuerungssystem 70, um das
Rückkoppelungssteuerungssystem 38 der
Hauptpumpzelle 28 auf Basis des Werts des Pumpstroms Ip1,
der durch die Hilfspumpzelle 52 fließt, zu korrigieren und zu steuern.
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Wie in 2 dargestellt
ist, umfasst das Korrektursteuerungssystem 70 einen Widerstand
R1, der zwischen die Gleichstromquelle 54 und die Bezugselektrode 32 eingeführt und
geschaltet ist, um den durch die Hilfspumpzelle 52 fließenden Pumpstrom
Ip1 in ein Spannungssignal Vf umzuwandeln, einen Verstärker 72,
um das Spannungssignal Vf um ein vorbestimmtes Ausmaß zu verstärken, so dass
ein Ausgangsignal als Hilfspumpspannung Vg erzeugt wird, einen Elektrolyt-Kondensator C sowie einen
Widerstand R2. Das Korrektursteuerungssystem 70 umfasst
zudem ein Integrierglied (Tief-Pass-Filter) 74, um das
mit dem Rückkoppelungssteuerungssystem 38 verbundene
Korrektursteuerungssystem 70 stabil zu betreiben, einen
dritten Differenzverstärker 76,
um eine Differenz zwischen einer vom Integrierglied 74 bereitgestellten Ausgangsspannung
Vh und einer zweiten Referenzspannung Vi zu ermitteln und die ermittelten
Differenz um ein vorbestimmtes Ausmaß zu verstärken, sowie einen Widerstand
R3, um einen vom dritten Differenzverstärker 76 bereitgestellten
Ausgangsstrom in ein Spannungssignal (Korrekturspannung) Vj umzuwandeln,
das über
die erste Bezugsspannung Vd, die für das Rückkoppelungssteuerungssystem 38 verwendet
wird, gelagert wird. Die zweite Bezugsspannung Vi ist auf eine Spannung
eingestellt, die der gewünschten
(konstanten) Sauerstoffkonzentration in der zweiten Kammer 22 entspricht.
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In dieser Beschreibung ist die Beziehung zwischen
dem durch die Hilfspumpzelle 52 fließenden Pumpstrom und der Spannung
auf dem Widerstand R1 wie folgt definiert.
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Wenn die Sauerstoffkonzentration
in der zweiten Kammer 22 höher ist als eine vorgeschriebene
Konzentration (repräsentiert
durch eine um ein gewisses Maß höhere Konzentration
als ein erwünschtes
konstantes Niveau) und eine große
Menge an Sauerstoff durch die Hilfspumpzelle 52 Pump-verarbeitet
wird, fließt
eine große
Menge an Pumpstrom durch den Widerstand R1. Unter dieser Bedingung
ist die Spannung in der positiven Richtung erhöht. Der Wert des Pumpstroms
sinkt, wenn die Sauerstoffkonzentration in der zweiten Kammer 22 allmählich in Übereinstimmung
mit dem Pumpprozess, der durch die Hauptpumpzelle 28 und
die Hilfspumpzelle 52 ausgeführt wird, verringert wird.
Die Spannung Vf wird durch diesen Vorgang ebenfalls verringert.
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Der Betrieb des Korrektursteuerungssytems 70 wird
nun kurz erläutert.
Zuerst wird der Pumpstrom Ip1, der durch die Hilfspumpzelle 52 fließt, d. h.
die Sauerstoffkonzentration in der zweiten Kammer 22, mit
Hilfe des Widerstands R1 detektiert, der zwischen der Bezugselektrode 32 und
der Gleichstromquelle 54 der Hilfspumpzelle 52 eingeführt und
geschaltet ist und als Spannungssignal Vf in Übereinstimmung mit der Sauerstoffkonzentration ausgegeben
wird.
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Das Spannungssignal Vf wird um das
vorbestimmte Ausmaß verstärkt, um
die Hilfspumpspannung Vg durch den stromab angeordneten Verstärker 72 bereitzustellen.
Die Hilfspumpspannung Vg wird durch das stromab angeordnete Integrierglied 74 verarbeitet,
um die Ausgangsspannung Vh bereitzustellen, die in den dritten Differenzverstärker 76,
der stromab angeordnet ist, eingegeben wird.
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Das Integrierglied 74 besitzt
Schaltungskonstanten (Widerstandswert und Kapazitätswert),
die so eingestellt sind, dass sie eine Zeitkonstante entsprechend
der Verzögerung
je nach Diffusionswiderstand des zweiten Diffusionsraten-Bestimmungsabschnitts 18 ergeben.
Dementsprechend wird der Integriervorgang zum Steuerungsvorgang,
der durch das Korrektursteuerungssystem 70 vorgenommen
wird, hinzugefügt.
Das Oszillationsphänomen
im Korrektursteuerungssystem 70, das ansonsten durch eine Störung oder
dergleichen verursacht werden würde, kann
effektiv vermieden werden. Der Steuerungsvorgang kann somit stabil
durchgeführt
werden.
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Der dritte Differenzverstärker 76 ermittelt
die Differenz zwischen der zweiten Bezugsspannung Vi und der Ausgangsspannung
Vh, die vom Integrierglied 74, das stromauf angeordnet
ist, bereitgestellt wird. Der Strom (Strom in positiver oder negativer Richtung)
entsprechend der ermittelten Differenz wird auf der Ausgangsseite
fließen
gelassen. Der Strom fließt
durch den Widerstand R3. Während
diesem Vorgang tritt ein Spannungsabfall auf, um die Umwandlung
in die Korrekturspannung Vj in Übereinstimmung
mit dem Stromwert vorzunehmen. Die Korrekturspannung Vj wird über die
erste Bezugsspannung Vd gelagert.
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Der Korrekturvorgang wird durch das
Korrektursteuerungssystem 70 durchgeführt, da die erste Bezugsspannung
Vd es ermöglicht,
dass der zweite Differenzverstärker 42 des
Rückkoppelungssteuerungssystems 38 eine
Differenz zwischen der Spannung Vc auf Basis des Sauerstoffpartialdrucks
in der ersten Kammer 20 und einer neuen Bezugsspannung
[erste Bezugsspannung Vd + (Differenz zwischen Hilfspumpspannung
Vh und zweiter Bezugsspannung Vi)] ermittelt. Die Sauerstoffkonzentration in
der zweiten Kammer 22 wird als Korrekturspannung Vj auf
die erste Bezugsspannung Vd reflektiert (überlagert). Das heißt, der
zweite Differenzverstärker 42 besitzt
die Funktion, die Sauerstoffkonzentration in der ersten Kammer 20 abhängig vom
durch die Hilfspumpzelle 52 fließenden Pumpstrom zu variieren
und zu modulieren.
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Der Korrekturvorgang, der durch das
Korrektursteuerungssystem 70 für die erste Bezugsspannung
Vd durchgeführt
wird, stellt eine konstante Sauerstoffkonzentration in der zweiten
Kammer 22 bereit. Dementsprechend ist es möglich eine
Präzisionsverschlechterung
zu verhindern, die ansonsten durch Austreten und Eindringen von
Sauerstoff durch eine starke Veränderung
der Sauerstoffkonzentration im Messgas verursacht werden würde. Zudem
ist es möglich,
eine Präzisionsverschlechterung
zu verhindern, die ansonsten mit einem geringen Abbau von H2O durch den Anstieg in der H2O-Konzentration
im Messgas verknüpft
wäre. Darüber hinaus
ist es möglich,
das Auftreten zweier Arten von Präzisionsverschlechterung zu
verhindern, die ansonsten durch die Temperaturveränderung
verursacht werden würden,
sowie zweier Arten von Präzisionsverschlechterung,
die ansonsten durch den Verfall der Hauptpumpzelle 28 verursacht
werden würden,
zu verhindern. Der Gassensor 10A gemäß der vorliegenden Erfindung
schließt
insbesondere, wie in 1 dargestellt ist,
eine Selbstdiagnoseeinheit 100 zum Überwachen des Zustands des
Gassensors 10A ein, wobei die Selbstdiagnoseeinheit 100 stromab
von der Hilfspumpzelle 52 geschaltet ist.
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Wie in 2 ersichtlich,
ist eine Ausgangsleitung des Verstärkers 72 in zwei Leitungen
verzweigt. Eine Ausgangsleitung ist mit einem Anschluss des Widerstands
R2 des Integrierglieds verbunden und die andere Ausgangsleitung
ist mit der Selbstdiagnoseeinheit 100 verbunden.
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Wie in 3 ersichtlich,
umfasst die Selbstdiagnoseeinheit 100 eine Komparatorschaltung 102, um
den Wert des Spannungssignals Vg, das vom Verstärker 72 bereitgestellt
wird, mit einem vorbestimmten vorgeschriebenen Bereich (oberer Grenzwert
Ea bis unterer Grenzwert Eb) zu vergleichen, eine Takterzeugungseinheit 104 zum
Erzeugen eines vorbestimmten Takts Pc, eine Triggerimpuls-Erzeugungsschaltung 106 zum
Erzeugen eines Triggerimpulssignals Pt auf Basis eines Eingangssignals
eines bereitgestellten Befehlssignals Sg, z. B. von einem nicht
dargestellten außerhalb
angebrachten Mikrocomputer, eine Fensterimpuls-Erzeugungsschaltung 108 zum
Erzeugen eines Fensterimpulses Pw mit einer vorbestimmten Pulsweite
auf Basis eines Eingangssignals des Triggerimpulssignals Pt, das
von der Triggerimpuls-Erzeugungsschaltung 106 bereitgestellt
wird, eine Beurteilungsschaltung 110 zum Beurteilen, ob
der Wert des Spannungssignals Vg innerhalb der Pulsweite des Fensterimpulses
Pw, der von der Fensterimpuls-Erzeugungsschaltung 108 ausgegeben
wird, in dem vorbestimmten Bereich (Ea bis Eb) liegt, einen Decoder 112 zum
Analysieren eines Beurteilungsergebnisses, das von der Beurteilungsschaltung 110 bereitgestellt
wird, um ein Anzeige-Steuerungssignal als Ausgangssignal bereitzustellen,
sowie ein Bildschirmsteuergerät 114 zum Ausgeben
einer Anzeigeeinheit 116, eines Anzeigesignals oder Anzeigedaten
gemäß eines
Attributs des vom Decoder 112 gelieferten Steuerungssignals.
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Die Komparatorschaltung 102 umfasst
einen ersten Vergleichen 120, um den Wert des Spannungssignals
Vg, das vom Verstärker 72 mit
dem oberen Grenzwert Ea bereitgestellt wird, zu vergleichen, einen
zweiten Komparator 122, um den Wert des Spannungssignals
Vg, das vom Verstärker 72 mit dem
unteren Grenzwert bereitgestellt wird, mit dem unteren Grenzwert
Eb zu vergleichen, und einen Decoder 124, um vorbestimmte
Logikoperationen (z. B. ODER(EXKLUSIV-ODER)-Verknüpfungen)
für die Ausgangssignale
des ersten und des zweiten Komparators 120, 122 durchzuführen, um
ein Ausgangssignal als Vergleichsergebnissignal Sh auszugeben.
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Das vom ersten Komparator 120 ausgegebene
Spannungssignal Vg1 ist niedrig, wenn der Wert des Spannungssignals
Vg höher
ist als der obere Grenzwert Ea. Das Spannungssignal Vg1 ist hoch, wenn
der Wert des Spannungssignals Vg niedriger ist als der obere Grenzwert
Ea.
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Das vom zweiten Komparator 122 ausgegebene
Spannungssignal Vg2 ist niedrig, wenn der Wert des Spannungssignals
Vg höher
ist als der untere Grenzwert Eb. Das Spannungssignal Vg2 ist hoch,
wenn der Wert des Spannungssignals Vg niedriger ist als der untere
Grenzwert Eb.
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Das vom Decoder 124 gelieferte
Vergleichsergebnissignal Sh ist niedrig, wenn beide Spannungssignale
Vg1, Vg2 hoch oder niedrig sind (wenn also der Wert des Spannungssignals
Vg nicht im vorbestimmten Bereich liegt). Das Vergleichsergebnissignal
Sh ist hoch, wenn das Spannungssignal Vg1 hoch und das Spannungssignal
Vg2 niedrig ist (wenn also der Wert des Spannungssignals im vorbestimmten
Bereich liegt).
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Andererseits befindet sich die Triggerimpuls-Erzeugungsschaltung 106 z.
B. durch den Eingang des Befehlssignals Sg von außen in einem
ENABLE-Zustand und erzeugt z. B. nach einer anfänglichen Anstiegszeit eines
Takts Pc einen Triggerimpuls Pt. Danach erzeugt die Triggerimpuls-Erzeugungsschaltung 106 immer
dann den Triggerimpuls Pt, wenn eine vorbestimmte Anzahl an Takten
abgezählt ist.
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Die Fensterimpuls-Erzeugungsschaltung 108 befindet
sich durch den Eingang des Triggerimpulses Pt, der von der Triggerimpuls-Erzeugungsschaltung 106 geliefert wird,
in einem ENABLE-Zustand und erzeugt z. B. einen Fensterimpuls Pw,
der bei der anfänglichen
Anstiegszeit des Takts Pc ansteigt und abfällt, wenn eine vorbestimmte
Anzahl an Takten abgezählt
ist (siehe 4 und 5).
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Die Beurteilungsschaltung 110 gibt
zwei Arten von Beurteilungssignalen aus ( ein erstes und ein zweites
Beurteilungssignal Si1, Si2), je nach der Veränderung im Wert des Fensterimpulses
Pw und des Ausgangssignals Sh der Komparatorschaltung 102.
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Wie in 4 ersichtlich
ist, ist das erste Beurteilungssignal Si1 beispielsweise niedrig,
wenn das Ausgangssignal Sh der Komparatorschaltung 102 zum
Zeitpunkt des Anstiegs des Fensterimpulses Pw niedrig ist, und weist
einen hohen Wert auf, wenn das Ausgangssignal Sh der Komparatorschaltung 102 innerhalb
der Pulsweite des Fensterimpulses Pw einen hohen Wert annimmt. Wenn
das Ausgangssignal der Komparatorschaltung 102 also innerhalb
der Pulsweite des Fensterimpulses Pw keinen hohen Wert aufweist,
d. h. wenn der Wert des Spannungssignals Vf nicht innerhalb des
vorbestimmten Bereichs ist, dann bleibt das erste Beurteilungssignal
Si1 niedrig.
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Wie in Fig. dargestellt, nimmt das
zweite Beurteilungssignal Si2 z. B. zum Zeitpunkt des Abschlusses
des Fensterimpulses Pw (wenn dieser abfällt) einen hohen Wert an, wenn
das erste Beurteilungssignal Si1 niedrig ist.
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Der Decoder 112 gibt ein
Steuerungssignal (z. B. ein niedriges Signal) aus, um dem Bildschirmsteuergerät 114,
das stromab angeordnet ist, einen „Normal"-Zustand anzuzeigen, wenn das erste
Beurteilungssignal Si1 und das zweite Beurteilungssignal Si2 hoch
bzw. niedrig sind. Der Decoder 112 gibt ein Steuerungssignal
(z. B. ein hohes Signal) aus, um dem Bildschirmsteuergerät 114,
das stromab angeordnet ist, einen „Abnormal"-Zustand anzuzeigen, wenn das erste
Beurteilungssignal Si1 und das zweite Beurteilungssignal Si2 niedrig
bzw. hoch sind.
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Das Bildschirmsteuergerät 114 gibt
an die stromab angeordnete Anzeigeeinheit 116 Information weiter,
die einen „Normal"-Zustand anzeigt,
wie z. B. Anzeigedaten zum Anzeigen einer „Normal"-Botschaft oder eines „Normal"-Symbols, wenn das
Steuerungssignal, das vom Decoder 112 eingespeist worden
ist, einen „Normal"-Zustand angibt. Wenn die Anzeigeeinheit 116 z.
B. eine LED (Leuchtdiode) ist, gibt das Bildschirmsteuergerät z. B.
ein Abdunkelungssignal aus.
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Andererseits gibt das Bildschirmsteuergerät 114 Information
aus, die einen „Abnormal"-Zustand anzeigt,
wie z. B. Anzeigedaten zum Anzeigen einer „Abnormal"-Botschaft
oder eines „Abnormal"-Signals, wenn das
vom Decoder 112 gelieferte Steuerungssignal einen „DISABLE"-Zustand anzeigt. Wenn
die Anzeigeeinheit 116 z. B. eine LED (Leuchtdiode) ist,
gibt das Bildschirmsteuergerät 114 z.
B. ein Aufhellsignal aus.
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Wenn das Steuerungssignal, das einen „Abnormal"-Zustand anzeigt,
vom stromauf angeordneten Decoder 112 bereitgestellt wird,
gibt das Bildschirmsteuergerät 114 ein
Ausschalt-Signal Sj an die Triggerimpuls-Erzeugungsschaltung 106 weiter,
so dass die Triggerimpuls-Erzeugungsschaltung 106 gestoppt
wird.
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Der Gassensor 10A gemäß der ersten
Ausführungsform
ist grundsätzlich
wie oben beschrieben konstruiert. Als nächstes werden seine Funktion
und Wirkung, insbesondere die Funktion und Wirkung der Selbstdiagnoseeinheit 100 beschrieben.
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Als erstes wird, wenn die Stromquelle
für die Vorrichtung
mit dem Gassensor 10A eingeschaltet wird, in der Vorrichtung
eine Anfangsoperation durchgeführt.
Die Anfangsoperation schließt
das Anlegen von elektrischem Strom an das Heizelement 64 des Gassensors 10A ein.
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Nachdem vom Zeitpunkt des Anlegens
des elektrischen Stroms an das Heizelement 64 eine vorbestimmte
Zeitspanne (z. B. eine Zeitspanne zum Abschließen des Aufwärmprozesses
des Gassensors 10A) verstrichen ist, gibt der Mikrocomputer (nicht
dargestellt) das Befehlssignal Sg an die Triggerimpuls-Erzeugungsschaltung
106 der
Selbstdiagnoseeinheit 100 ab. Wenn die Vorrichtung, in
die der Gassensor 10A eingebaut wird, ein Automobil ist, steht
der Zeitpunkt zu dem der Aufwärmprozess
abgeschlossen ist für
einen Zeitpunkt, an dem die Wassertemperatur einen vorbestimmten
Wert erreicht.
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Von dem Zeitpunkt an, an dem das
Befehlssignal Sg vom Mikrocomputer (nicht dargestellt) an die Selbstdiagnoseeinheit 100 abgegeben
wird, beginnt die Selbstdiagnoseeinheit 100 damit, den
Gassensor 10A zu überwachen,
d.h. den durch die Hilfspumpzelle 52 fließenden Strom
zu überwachen.
In der ersten Ausführungsform
wird das Spannungssignal Vf überwacht,
das in Übereinstimmung
mit dem Pumpstrom Ip1, der durch die Hilfspumpzelle 52 fließt, im Widerstand
R1 auftritt. Wie in 4 gezeigt wird,
sind das erste und das zweite Beurteilungssignal Si1, Si2, die von
der Beurteilungsschaltung 110 ausgegeben werden, hoch bzw.
niedrig, wenn der Wert des durch die Hilfspumpzelle 52 fließenden Pumpstroms
(Wert des Spannungssignals Vf) einen vorbestimmten Bereich (innerhalb
des Bereichs zwischen dem oberen Grenzwert Ea und dem unteren Grenzwert
Eb) innerhalb eines vorbestimmten Zeitraums (innerhalb der Pulsweite
des Fensterimpulses Pw) erreicht. Daher wird vom Decoder 112 ein
Steuerungssignal ausgegeben, das einen „Normal"-Zustand anzeigt. Als Ergebnis erzeugt
die Anzeigeeinheit 116 eine Anzeige, auf der „normal" steht.
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Danach wird das Befehlssignal Sg
regelmäßig vom
Mikrocomputer (nicht dargestellt) an die Selbstdiagnoseeinheit 100 bereitgestellt.
Eine Selbstdiagnose des Gassensors 10A wird jedesmal, wenn
das Befehlssignal Sg ausgegeben wird, durchgeführt.
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Wenn der Wert des Spannungssignals
Vg andererseits, wie in 5 dargestellt,
nicht im vorgeschriebenen Bereich liegt, nachdem die vorbestimmte
Zeit verstrichen ist, gibt die Beurteilungsschaltung 110 das
erste Beurteilungssignal Si1 mit einem niedrigen Wert und das zweite
Beurteilungssignal Si2 mit einem hohen Wert aus. Dementsprechend
liefert der Decoder 112 ein „Abnormal"-Steuerungssignal, und die Anzeigeeinheit 116 veranlasst
eine Anzeige dazu, „abnormal" anzuzeigen. Nachdem Abnormalität festgestellt
worden ist, erteilt das Bildschirmsteuergerät 114 ein Ausschaltsignal
Sj an die Triggerimpuls-Erzeugungsschaltung 106. Danach
ist die von der Selbstdiagnoseeinheit 100 durchzuführende Problembeurteilung
abgeschlossen. Die Anzeige wird auf „abnormal" eingestellt, bis die Anzeigeeinheit 116 ein
Rücksetzsignal
ausgibt.
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Im Allgemeinen wird die Hauptpumpzelle 28 des
Gassensors 10A wie folgt betrieben. Das heißt, der
Sauerstoff, der im Messgas, das vom Außenraum in die erste Kammer 20 eingeleitet
wurde, enthalten ist, wird in Übereinstimmung
mit dem vom oben beschriebenen Rückkoppelungssystem 38 ausgeführten Steuerungsvorgang
Pump-verarbeitet. Der Wert des Sauerstoffpartialdrucks in der ersten
Kammer 20 kann daher einen vorbestimmten Wert aufweisen,
bei dem die NOx-Komponente als Messziel nicht abbaubar ist.
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Wenn die Sauerstoffkonzentration
in der zweiten Kammer 22 den vorgeschriebenen Wert nicht
erreichen kann, wenn also der durch die Hilfspumpzelle 52 fließende Pumpstrom
Ip1 nicht im vorgeschriebenen Bereich liegt (das Spannungssignal Vg
erreicht den vorgeschriebenen Bereich nicht), obwohl das Rückkoppelungssteuerungssystem 38 einer
Korrektursteuerung mit Hilfe des Korrektursteuerungssystems 70 unterzogen
ist, dann liegt beim Gassensor 10A aus irgendeinem Grund
ein Problem vor. In der ersten Ausführungsform wird anhand des vorhergehenden
Prinzips entschieden, ob im Gassensor 10A ein Problem vorliegt.
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Als Ergebnis ermöglicht es der Gassensor 10A gemäß der ersten
Ausführungsform
rasch und zuverlässig
zu detektieren, ob im Gassensor 10A derzeit eine Fehlfunktion
vorliegt. Es ist daher möglich,
rasch zu reagieren, um den Gassensor instandzuhalten und zu betreiben
(einschließlich
der Beachtung der Gesetzgebung).
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Probleme oder Fehlfunktionen beim
Gassensor 10A schließen
z. B. Versagen der Hauptpumpzelle 28 oder der Hilfspumpzelle 52,
Unterbrechung des Rückkoppelungssteuerungssystems 38 oder
des Heizelements 64 und Fehlfunktion der Elektrode ein. Eine
Fehlfunktion der Elektrode wird durch Beladen und Abblättern der
Elektrode aufgrund von Wärmeschäden sowie
durch eine Abnahme in der katalytischen Wirkung der Elektrode aufgrund
von Verunreinigung und Verstopfung ersichtlich.
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Die Selbstdiagnoseeinheit 100 stellt
fest, dass ein Problem vorliegt, wenn das vom Verstärker 72 gelieferte
Spannungssignal Vg nicht im vorgeschriebenen Bereich liegt, selbst
wenn der vorbestimmte Zeitraum verstrichen ist. Alternativ dazu kann
die Selbstdiagnoseeinheit 100 feststellen, dass ein Problem
vorliegt, wenn das vom Verstärker 72 bereitgestellte
Spannungssignal Vg an einem Zeitpunkt vom vorgeschriebenen Bereich
abweicht. In dieser Ausführungsform
erfolgt die Drahtverbindung vorzugsweise wie folgt. Das heißt, das
vom Decoder 124 in der Komparatorschaltung 102 bereitgestellte
Vergleichsergebnissignal Sh wird direkt in das Bildschirmsteuergerät 114 eingegeben
(siehe strichpunktierte Linie). Zudem ist die Schaltung so konstruiert
und angeordnet, dass das Bildschirmsteuergerät 114 Information
ausgibt, die der stromab angeordneten Anzeigeeinheit 116 einen „Normal"--Zustand anzeigt,
wenn das eingegangene Vergleichsergebnissignal Sh hoch ist, während das
Bildschirmsteuergerät 114 Information
ausgibt, die der stromab angeordneten Anzeigeeinheit 116 einen „Abnormal"-Zustand anzeigt,
wenn das eingegangene Vergleichsergebnissignal Sh niedrig ist.
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Alternativ dazu kann das Bildschirmsteuergerät 114 wie
folgt geschaltet und konstruiert sein. Das heißt, im Anfangsschritt wird überwacht,
ob das Spannungssignal Vg innerhalb der vorbestimmten Zeitperiode
einen vorgeschriebenen Bereich erreicht, wenn es durch die Komparatorschaltung 102 → Beurteilungsschaltung 110 → Decoder 112 → Bildschirmsteuergerät 114 hindurchgelangt.
Nachdem festgestellt worden ist, dass kein Problem vorliegt, wird überwacht,
ob das Spannungssignal Vg innerhalb der vorbestimmten Zeitperiode
einen vorgeschriebenen Bereich erreicht, wenn es in Echtzeit durch
die Vergleichsschaltung 102 → Bildschirmsteuergerät 114 hindurchgelangt
(siehe strichpunktierte Linie).
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Als nächstes werden zwei modifizierte
Ausführungsformen
des Gassensors 10A gemäß der ersten
Ausführungsform
mit Verweis auf die 6 und 7 beschrieben. Komponenten
oder Teile, die mit denen in 1 dargestellten übereinstimmen,
werden mit denselben Verweiszahlen gekennzeichnet und eine wiederholte
Erklärung
derselben wird ausgelassen.
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Wie in 6 ersichtlich,
wird zuerst ein Gassensor 10A gemäß der ersten modifizierten
Ausführungsform
in etwa derselben Art wie der Gassensor 10A gemäß der ersten
Ausführungsform
konstruiert. Ersterer unterscheidet sich von letzterem jedoch darin,
dass anstelle der Messpumpzelle 58 eine Sauerstoffpartialdruck-Messdetektionszelle
bereitgestellt ist.
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Die Sauerstoffpartialdruck-Messdetektionszelle 170 umfasst
eine Detektionselektrode 172, die auf einem Deckflächenabschnitt
der Deckfläche
der ersten Trockenelektrolytschicht 12d ausgebildet ist, um
die zweite Kammer 22 zu formen, eine Bezugselektrode 32,
die auf der Unterfläche
der ersten Trockenelektrolytschicht 12d ausgebildet ist,
und die erste Trockenelektrolytschicht 12d, die zwischen
den beiden Elektroden 172 und 32 angeordnet ist.
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In dieser Ausführungsform wird zwischen der Bezugselektrode 32 und
der Detektionselektrode 172 der Sauerstoffpartialdruck-Messdetektionszelle 170 eine
elektromotorische Kraft (elektromotorische Kraft einer Sauerstoffkonzentrationszelle)
erzeugt, die der Differenz in der Sauerstoffkonzentration zwischen der
Atmosphäre
um die Detektionselektrode 172 und der Atmosphäre um die
Bezugselektrode 32 entspricht.
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Der Sauerstoffpartialdruck in der
Atmosphäre
um die Detektionselektrode 172, in anderen Worten der Sauerstoffpartialdruck,
der durch den im Zuge der Reduktion oder des Abbaus der Messgaskomponente
(NOx) erzeugten Sauerstoff definiert ist, wird daher durch Messen
der elektromotorischen Kraft, die zwischen der Detektionselektrode 172 und
der Bezugselektrode 32 erzeugt worden ist, mittels eines Spannungsmessers 174 als
ein Spannungswert detektiert.
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Der Gassensor 10Aa gemäß der ersten
modifizierten Ausführungsform
umfasst wie der Gassensor 10A gemäß der ersten Ausführungsform
auch das Rückkoppelungssteuerungssystem 38,
die Hilfspumpzelle 52, das Korrektursteuerungssystem 70 und
die Selbstdiagnoseeinheit 100.
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Der Gassensor 10Aa gemäß der ersten
modifizierten Ausführungsform
kann daher eine Präzisionsverschlechterung
verhindern, die ansonsten aufgrund des Austretens und Eindringens
von Sauerstoff verursacht durch die starke Veränderung in der Sauerstoffkonzentration
im Messgas auftreten würde.
Zudem ist es möglich,
eine Präzisionsverschlechterung
zu verhindern, die ansonsten mit einem geringen Abbau von H2O durch den Anstieg in der H2O-Konzentration
im Messgas verknüpft
wäre, wie dies
auch beim Gassensor 10A gemäß der ersten Ausführungsform
der Fall ist. Darüber
hinaus kann rasch und verlässlich
detektiert werden, ob beim Gassensor 10Aa derzeit eine
Fehlfunktion vorliegt. Es ist daher möglich, rasch zu reagieren,
um den Gassensor 10Aa instandzuhalten und zu betreiben.
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Als nächstes wird ein Gassensor 10Ab gemäß der zweiten
modifizierten Ausführungsform,
dargestellt in 7, etwa
in gleicher Art und Weise wie der Gassensor 10A gemäß der ersten
modifizierten Ausführungsform
hergestellt. Ersterer unterscheidet sich jedoch von letzterem dadurch,
dass sowohl die Messpumpzelle 58 als auch die Sauerstoffpartialdruck-Messdetektionszelle 170 bereitgestellt
sind, und der von der Sauerstoffpartialdruck-Messdetektionszelle 170 detektierte
Sauerstoffpartialdruckwert (Spannung V2) verwendet wird, um die
Pumpspannung Vp2 einer variablen Spannungsquelle 60A der Messpumpzelle 58 mit
Hilfe des Rückkoppelungssteuerungssystems 38 zu
steuern.
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In dieser Ausführungsform umfasst die Messpumpzelle 58 die
Detektionselektrode 172, die innere Pumpelektrode 24,
die erste Trockenelektrolytschicht 12d zwischen den beiden
Elektroden 172, 24, die zweite Abstandhalterschicht 12e und
die zweite Trockenelektrolytschicht 12f. Der Sauerstoff
in der Atmosphäre
in der zweiten Kammer 22 kann aus der ersten Kammer 20 hinausgepumpt
werden, indem die Spannung Vp2 mit Hilfe der variablen Stromquelle 60A angelegt
wird.
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Der Gassensor 10Ab gemäß der zweiten modifizierten
Ausführungsform
umfasst wie der Gassensor 10A gemäß der ersten Ausführungsform
auch das Rückkoppelungssteuerungssystem 38,
die Hilfspumpzelle 52, das Korrektursteuerungssystem 70 und
die Selbstdiagnoseeinheit 100. Es ist daher möglich, eine
Präzisionsverschlechterung
zu verhindern, die ansonsten aufgrund des Austretens und Eindringens
von Sauerstoff verursacht durch die starke Veränderung in der Sauerstoffkonzentration
im Messgas auftreten würde.
Zudem ist es möglich,
eine Präzisionsverschlechterung
zu verhindern, die ansonsten mit einem geringen Abbau von H2O durch den Anstieg in der H2O-Konzentration
im Messgas verknüpft wäre. Darüber hinaus
kann rasch und verlässlich
detektiert werden, ob beim Gassensor 10Ab derzeit eine
Fehlfunktion vorliegt. Es ist daher möglich, rasch zu reagieren,
um den Gassensor 10Ab instandzuhalten und zu betreiben.
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Bei den Gassensoren gemäß der ersten Ausführungsform
(einschließlich
der modifizierten Ausführungsformen) 10A, 10Aa, 10Ab wird
das Ausgangssignal Vg, das vom Verstärker 72 bereitgestellt wird,
um das durch die Umwandlung des Pumpstroms Ip1 in eine Spannung
erhaltene Spannungssignal Vf um ein vorbestimmtes Ausmaß zu verstärken, in
die Selbstdiagnoseeinheit eingespeist. Alternativ dazu kann das
Ausgangssignal Vh in die Selbstdiagnoseeinheit 100 eingegeben
werden, nachdem es durch das Integrierglied 74 verlaufen
ist. Bei dieser Ausführungsform
wird das Signal Vh, aus dem das Hochpassrauschen entfernt worden
ist, in die Selbstdiagnoseeinheit 100 eingespeist. Es ist
daher möglich,
eine präzisere
Selbstdiagnose durchzuführen.
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Als nächstes wird der Gassensor 10B gemäß der zweiten
Ausführungsform
mit Verweis auf 8 erklärt. Komponenten
oder Teile, die mit den in Fig. dargestellten übereinstimmen, sind mit denselben
Verweiszahlen gekennzeichnet und eine wiederholte Erläuterung
wird ausgelassen.
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Wie in 8 ersichtlich,
ist der Gassensor 10B gemäß der zweiten Ausführungsform
in etwa derselben Art und Weise konstruiert wie der Gassensor 10A gemäß der ersten
Ausführungsform.
Ersterer unterscheidet sich jedoch von letzterem dadurch, dass anstelle
der Hilfspumpzelle 52 eine Sauerstoffpartialdruck-Korrekturdetektionszelle 140 und
ein Korrektursteuerungssystem 146 bereitgestellt sind, um
das Rückkoppelungssteuerungsystem 38 der Hauptpumpzelle 28 auf
Basis eines durch die Sauerstoffpartialdruck-Korrekturdetektionszelle 140 detektierten
Spannungswerts V1 zu korrigieren und zu steuern.
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Die Sauerstoffpartialdruck-Korrekturdetektionszelle 140 umfasst
eine Messelektrode 142, die auf einem Deckflächenabschnitt
der Deckfläche
der ersten Trockenelektrolytschicht 12d ausgebildet ist, um
die zweite Kammer 22 zu formen, eine Bezugselektrode 32,
die auf der Unterfläche
der ersten Trockenelektrolytschicht 12d ausgebildet ist,
und die erste Trockenelektrolytschicht 12d, die zwischen
den beiden Elektroden 142 und 32 angeordnet ist.
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In dieser Ausführungsform wird zwischen der Bezugselektrode 32 und
der Messelektrode 142 der Sauerstoffpartialdruck-Korrekturdetektionszelle 140 eine
elektromotorische Kraft (elektromotorische Kraft einer Sauerstoffkonzentrationszelle)
erzeugt, die die Differenz in der Sauerstoffkonzentration zwischen der
Atmosphäre
in der zweiten Kammer 22 und der Atmosphäre um die
Bezugselektrode 32 entspricht.
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Der Sauerstoffpartialdruck in der
Atmosphäre
um die Messelektrode 142, in anderen Worten der Sauerstoffpartialdruck
in der zweiten Kammer 22, wird daher durch Messen der elektromotorischen Kraft,
die zwischen der Messelektrode 142 und der Bezugselektrode 32 erzeugt
worden ist, mittels eines Spannungsmessers 144 als ein
Spannungswert detektiert.
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Wie in 9 ersichtlich
umfasst das Korrektursteuerungssystem 146 andererseits
einen vierten Differenzverstärker 150,
um eine Differenz zwischen einer Differenz (gemessene Spannung Vm)
eines elektrischen Potentials der Messelektrode 142 und des
elektrischen Erdpotentials sowie einer Differenz (Bezugsspannung
Vn) zwischen einem elektrischen Potential der Bezugselektrode 32 und
dem elektrischen Erdpotential zu ermitteln und die ermittelte Differenz
um ein vorbestimmtes Ausmaß zu
verstärken, um
ein Ausgangssignal als Detektionsspannung V1 in Übereinstimmung mit dem Sauerstoffpartialdruck in
der zweiten Kammer 22 zu erzeugen; einen dritten Differenzverstärker 76,
um eine Differenz zwischen der vom vierten Differenzverstärker 150 bereitgestellten
Detektionsspannung V1 und einer zweiten Bezugsspannung Vi zu ermitteln
und die ermittelte Differenz um ein vorbestimmtes Ausmaß zu verstärken; mit
einem Elektrolyt-Kondensator C und einem Widerstand R2. Das Korrektursteuerungssystem 146 umfasst
weiters ein Integrierglied (Tiefpassfilter) 74, um das
mit dem Rückkoppelungssystem 38 verbundene
Korrektursteuerungssystem 146 stabil zu betreiben, und
einen Widerstand R3, um einen vom Integrierglied 74 bereitgestellten
Ausgangsstrom in ein Spannungssignal (Korrekturspannung Vj) umzuwandeln,
um über
die erste Bezugsspannung Vd, die für das Rückkoppelungssteuerungssystem 38 verwendet
wird, zu lagern.
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Bei dieser Beschreibung ist das Verhältnis zwischen
dem Wert V1 und der auf dem Widerstand R1 auftretenden Spannung
wie folgt definiert.
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Wenn die Sauerstoffkonzentration
in der zweiten Kammer 22 höher ist als eine vorgeschriebene
Konzentration (repräsentiert
durch eine Konzentration, die etwas höher ist als ein erwünschter
konstanter Wert), steigt auch die durch die Sauerstoffpartialdruck-Detektionszelle 140 detektierte
Spannung in positiver Richtung. Die Detektionsspannung V1 sinkt,
wenn die Sauerstoffkonzentration in der zweiten Kammer 22 allmählich in Übereinstimmung mit
dem durch die Hauptpumpzelle 28 durchgeführten Pumpvorgang
verringert wird.
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Nun wird die Funktionsweise des Korrektursteuerungssystems 146 kurz
erläutert.
Zunächst
wird der vierte Differenzverstärker 150 dazu
verwendet, um die Differenz zwischen der Bezugsspannung Vn und der
gemessenen Spannung Vm, die durch die Sauerstoffpartialdruck-Korrekturdetektionszelle 140 erhalten
wird, zu ermittelt. Die Differenz wird dann als Detektionsspannung
V1 extrahiert.
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Der dritte Differenzverstärker 76 wird
dazu verwendet, die Differenz zwischen der zweiten Bezugsspannung
Vi und der vom vierten Differenzverstärker 150 bereitgestellten
Detektionsspannung V1 zu ermitteln. Der der ermittelten Differenz
entsprechende Strom (in positiver oder negativer Richtung) fließt nach
außen.
Der Strom fließt
durch das stromab angeordnete Integrierglied 74 und durch
den Widerstand R3. Während
diesem Vorgang tritt ein Spannungsabfall auf und der Strom wird
in die dem Stromwert entsprechende Korrekturspannung Vj umgewandelt.
Die Korrekturspannung Vj wird über
die erste Bezugsspannung Vd überlagert.
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Das Integrierglied 74 besitzt
wie beim Gassensor 10A gemäß der ersten Ausführungsform Schaltungskonstanten
(Widerstandswert und Kapazitätswert),
die so eingestellt sind, dass sie eine Zeitkonstante ergeben, die
der Verzögerungszeit
in Abhängigkeit
vom Diffusionswiderstand des zweiten Diffusionsraten-Bestimmungsabschnitts 18 entspricht. Dementsprechend
wird ein Integriervorgang zum durch das Korrektursteuerungssystem 146 ausgeführten Steuerungsvorgang
hinzugefügt.
Das Oszillationsphänomen
beim Korrektursteuerungsystem 146, das ansonsten durch
Störungen
oder dergleichen verursacht werden würde, kann effektiv vermieden
werden. Dadurch kann ein stabiler Steuerungsvorgang durchgeführt werden.
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Der durch das Korrektursteuerungssystem 146 für die erste
Bezugsspannung Vd durchgeführte Korrekturvorgang
ermöglicht
es dem zweiten Differenzverstärker 42 des
Rückkoppelungssteuerungssystems 38,
eine Differenz zwischen der Spannung Vc auf Basis des Sauerstoffpartialdrucks
in der ersten Kammer 20 und einer neuen Bezugsspannung [erste
Bezugsspannung Vd + (Differenz zwischen Detektionsspannung V1 und
zweiter Bezugsspannung Vi)] zu ermitteln. Die Sauerstoffkonzentration
in der zweiten Kammer 22 wird als Korrekturspannung Vj
auf die erste Bezugsspannung Vd reflektiert (überlagert). Das heißt, der
zweite Differenzverstärker 42 besitzt
die Funktion, die Sauerstoffkonzentration in der ersten Kammer 20 je
nach von der Sauerstoffpartialdruck-Korrekturdetektionszelle 140 detektierten Detektionsspannung
V1 zu variieren und zu modulieren. Der Korrekturvorgang, der für die erste
Bezugsspannung (Vd) durch das Korrektursteuerungssystem 146 durchgeführt wird,
stellt eine konstante Sauerstoffkonzentration in der zweiten Kammer 22 bereit.
Dementsprechend ist es möglich,
die Präzisionsverschlechterung
zu verhindern, die ansonsten aufgrund des Austretens und Eindringens
von Sauerstoff verursacht durch die starke Veränderung in der Sauerstoffkonzentration
im Messgas auftreten würde.
Zudem ist es möglich,
eine Präzisionsverschlechterung
zu verhindern, die ansonsten mit einem geringen Abbau von H2O durch den Anstieg in der H2O-Konzentration
im Messgas verknüpft
wäre. Darüber hinaus
ist es möglich,
das Auftreten zweier Arten von Präzisionsverschlechterung zu
verhindern, die ansonsten durch die Temperaturveränderung
verursacht werden würden,
sowie zweier Arten von Präzisionsverschlechterung,
die ansonsten durch den Verfall der Hauptpumpzelle 28 verursacht
werden würden,
zu verhindern.
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Wie in 9 dargestellt
ist, ist beim Gassensor 10B gemäß der zweiten Ausführungsform
insbesondere eine Ausgangsleitung des vierten Differenzverstärkers 150 in
zwei Leitungen verzweigt. Eine Ausgangsleitung ist mit einem invertierenden
Eingangsanschluss des dritten Differenzverstärkers 76 verbunden
und die andere Ausgangsleitung ist mit einer Selbstdiagnoseeinheit 100 verbunden.
Die Selbstdiagnoseeinheit 100 ist auf dieselbe Art und Weise
konstruiert wie die Selbstdiagnoseeinheit 100 aus 3. mit Ausnahme, dass das
Signal, das durch die andere Ausgangsleitung in die Selbstdiagnoseeinheit 100 eingeführt wird,
die vom vierten Differenzverstärker 150 bereitgestellte
Detektionsspannung V1 ist. Auf eine detaillierte Erklärung davon
wird daher verzichtet.
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Der Gassensor 108 gemäß der zweiten
Ausführungsform
ermöglicht
es somit, rasch und verlässlich
zu detektieren, ob beim Gassensor 10B derzeit eine Fehlfunktion
vorliegt oder nicht. Es ist daher möglich, rasch zu reagieren,
um den Gassensor 10B instandzuhalten und zu betreiben.
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Als nächstes werden zwei modifizierte
Ausführungsformen
des Gassensors 10B gemäß der zweiten
Ausführungsform
mit Verweis auf die 10 und 11 be schrieben. Komponenten
oder Teile die mit den in 8 dargestellten übereinstimmen
sind mit denselben Verweiszahlen gekennzeichnet und eine wiederholte
Erklärung
wird weggelassen.
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Wie in 10 ersichtlich,
wird zunächst
ein Gassensor 10Ba gemäß der ersten
modifizierten Ausführungsform
in etwa derselben Art und Weise wie der Gassensor 10B gemäß der zweiten
Ausführungsform
hergestellt. Ersterer unterscheidet sich jedoch von letzterem darin,
dass anstelle der Messpumpzelle 58 eine Sauerstoffpartialdruck-Messdetektionszelle 170 bereitgestellt
wird.
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Die Sauerstoffpartialdruck-Messdetektionszelle 170 entspricht
der Sauerstoffpartialdruck-Messdetektionszelle 170 des
Gassensors 10Aa gemäß der ersten
modifizierten Ausführungsform
der ersten Ausführungsform
aus 6. Daher wird auf
eine detaillierte Beschreibung verzichtet.
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Der Gassensor 10Ba gemäß der ersten
modifizierten Ausführungsform
umfasst also das Rückkoppelungssteuerungssystem 38,
die Sauerstoffpartialdruck-Korrekturdetektionszelle 140,
das Korrektursteuersystem 146, und die Selbstdiagnoseeinheit 100,
wie dies auch beim Gassensor 10B gemäß der zweiten Ausführungsform
der Fall ist. Dementsprechend ist es möglich, die Präzisionsverschlechterung zu
verhindern, die ansonsten aufgrund des Austretens und Eindringens
von Sauerstoff verursacht durch die starke Veränderung in der Sauerstoffkonzentration
im Messgas auftreten würde.
Zudem ist es möglich,
eine Präzisionsverschlechterung
zu verhindern, die ansonsten mit einem geringen Abbau von H2O durch den Anstieg in der H2O-Konzentration
im Messgas verknüpft
wäre. Darüber hinaus
kann rasch und verlässlich
detektiert werden, ob beim Gassensor 10Ba derzeit eine
Fehlfunktion vorliegt oder nicht. Es ist somit möglich, rasch zu reagieren,
um den Gassensor 10Ba instandzuhalten und zu betreiben.
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Als nächstes wird ein Gassensor 10Bb gemäß der zweiten
modifizierten Ausführungsform,
dargestellt in 11, in
etwa derselben Art und Weise hergestellt wie der Gassensor 10Ba gemäß der ersten
modifizierten Ausführungsform.
Ersterer unterscheidet sich jedoch von letzterem dadurch, dass sowohl
die Messpumpzelle 58 als auch die Sauerstoffpartialdruck-Messdetektionszelle 170 bereitgestellt sind,
und der von der Sauerstoffpartialdruck-Messdetektionszelle 170 detektierte
Sauerstoffpartialdruckwert verwendet wird, um die Pumpspannung Vp2
einer variablen Stromquelle 60A der Messpumpzelle 58 mit
Hilfe des Rückkoppelungssteuerungssystems 38 zu
steuern, wie dies auch beim Gassensor 10Ab gemäß der zweiten
modifizierten Ausführungsform der
ersten Ausführungsform
aus 7 der Fall ist.
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Der Gassensor 10Bb gemäß der zweiten modifizierten
Ausführungsform
umfasst zudem wie der Gassensor 10B gemäß der zweiten Ausführungsform
das Rückkoppelungssteuerungssystem 38,
die Sauerstoffpartialdruck-Korrekturdetektionszelle 140,
das Korrektursteuerungssystem 146 und die Selbstdiagnoseeinheit 100.
Dementsprechend ist es möglich,
die Präzisionsverschlechterung
zu verhindern, die ansonsten aufgrund des Austretens und Eindringens
von Sauerstoff verursacht durch die starke Veränderung in der Sauerstoffkonzentration
im Messgas auftreten würde.
Zudem ist es möglich,
eine Präzisionsverschlechterung
zu verhindern, die ansonsten mit einem geringen Abbau von H2O durch den Anstieg in der H2O-Konzentration im
Messgas verknüpft
wäre. Darüber hinaus
kann rasch und verlässlich
detektiert werden, ob beim Gassensor 10Bb derzeit eine
Fehlfunktion vorliegt oder nicht. Es ist somit möglich, rasch zu reagieren,
um den Gassensor 10Ba instandzuhalten und zu betreiben.
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Bei den Gassensoren gemäß der zweiten Ausführungsform
(einschließlich
der modifizierten Ausführungsformen) 10B, 10Ba, 10Bb wird
das Spannungssignal V1, das vom vierten Differenzverstärker 150 bereitgestellt
wird, in die Selbstdiagnoseeinheit 100 eingespeist. Alternativ
dazu kann das Spannungssignal in die Selbstdiagnoseeinheit 100 eingegeben
werden, nachdem es das Integrierglied 74 passiert hat.
Bei dieser Ausführungsform
wird das Spannungssignal, aus dem das Hochpassrauschen entfernt
worden ist, in die Selbstdiagnoseeinheit 100 eingespeist.
Es ist daher möglich,
eine präzisere Selbstdiagnose
durchzuführen.
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Bei den jeweiligen zweiten modifizierten Ausführungsformen 10Ab, 10Bb des
Gassensors 10A, 10B gemäß der ersten und der zweiten
Ausführungsform
ist die eine Elektrode der Messpumpzelle 58 die innere
Pumpelektrode 24 der Hauptpumpzelle 28. Alternativ
dazu kann die eine Elektrode auch die äußere Pumpelektrode 26 sein.
In diesem Fall wird der Sauerstoff in der Atmosphäre der zweiten
Kammer 22 in den Außenraum
hinausgepumpt.
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Bei den Gassensoren gemäß der ersten
und zweiten Ausführungsformen
(einschließlich
der modifizierten Ausführungsformen) 10A, 10Aa, 10Ab, 10B, 10Ba, 10Bb wird
die Selbstdiagnoseeinheit 100 wie in 3 dargestellt angeordnet. Diese Anordnung dient
jedoch lediglich der Veranschaulichung. Der Gassensor der vorliegenden
Erfindung kann anhand von verschiedenen Kombinationen aus Digital- und Analogschaltungen
konstruiert werden.
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Die Gassensoren gemäß der oben
beschriebenen Ausführungsformen
beziehen sich auf NOx als Messgaskomponente. Die vorliegende Erfindung kann
jedoch auch wirksam für
die Messung von Gaskomponenten mit gebundenem Sauerstoff wie H2O und CO2 anstatt
von NOx eingesetzt werden, wobei die Messung durch im Messgas vorhandenen
Sauerstoff beeinflusst wird.