DE69829129T2

DE69829129T2 - Gassensor

Info

Publication number: DE69829129T2
Application number: DE69829129T
Authority: DE
Inventors: Nobuhide Kanie-cho Kato; Hiroshi Midori-ku Kurachi; Takeya Kasugai-city Miyashita
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1997-05-20
Filing date: 1998-05-19
Publication date: 2006-02-09
Anticipated expiration: 2018-05-20
Also published as: EP0880026A1; US6287439B1; JPH10318979A; DE69829129D1; EP0880026B1; JP3571494B2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung:
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Gassensor zum Messen von Gaskomponenten wie NO, NO₂, SO₂ und H₂O, die z.B. in der Atmosphärenluft oder in von einem Fahrzeug oder Automobil abgegebenen Abgas enthalten sind.
Beschreibung des Standes der Technik:
Abgas, das von Kraftfahrzeugen oder Automobilen wie benzin- oder dieselbetriebenen Automobilen abgegeben wird, enthält Stickoxide (NO_x) wie Stickstoffmonoxid (NO) und Stickstoffdioxid (NO₂), Kohlenmonoxid (CO), Kohlenwasserstoff (HC), Wasserstoff (H₂), Sauerstoff (O₂) usw. In einem solchen Abgas sind etwa 80 % des gesamten NO_x von NO und etwa 95 % des gesamten NO_x von NO und NO₂ besetzt.
Der Dreiweg-Katalysator, der zur Reinigung von im Abgas enthaltenem HC, CO und NO_x verwendet wird, zeigt seine maximale Reinigungseffizienz in der Nähe des theoretischen Luft-Treibstoff-Verhältnisses (A/F = 14,6). Wird A/F so eingestellt, dass es nicht weniger als 16 beträgt, so sinkt die Menge an erzeugtem NO_x. Die Reinigungseffizienz des Katalysators wird aber verringert, und demnach steigt die Menge an abgegebenem NO_x wahrscheinlich an.
In der letzten Zeit gab es auf dem Markt, um fossile Brennstoffe wirksam zu verwenden und die globale Erwärmung zu verhindern, eine steigende Nachfrage danach, die Abgabemenge an CO₂ zu senken. Um einer solchen Forderung zu entsprechen, wurde es immer notwendiger, die Treibstoffeffizienz zu erhöhen. Als Reaktion darauf wurden Untersuchungen z.B. zum Thema von abgasarmen Verbrennungsmotoren und von Katalysatoren zum Reinigen von NO_x angestellt. Insbesondere stieg der Bedarf an NO_x-Sensoren.
Ein herkömmlicher NO_x-Analysator war bis dato als Instrument zur Detektion von NO_x bekannt, wie dies oben beschrieben ist. Der herkömmliche NO_x-Analysator wird betrieben, um eine dem NO_x eigene Charakteristik basierend auf der Verwendung der chemischen Lumineszenzanalyse zu messen. Der herkömmliche NO_x-Analysator ist aber insofern unpraktisch, als das Instrument selbst extrem groß und teuer ist. Der herkömmliche NO_x-Analysator erfordert eine häufige Wartung, da optische Teile zur Detektion von NO_x verwendet werden. Weiters sollte, wenn der herkömmliche NO_x-Analysator verwendet wird, ein Vorgang der Probenentnahme durchgeführt werden, um NO_x zu messen, wobei es nicht möglich ist, ein Detektionselement selbst direkt in ein Fluid einzusetzen. Somit ist der herkömmliche NO_x-Analysator zur Analyse von Übergangsphänomenen, wie sie im von einem Automobil abgegebenen Abgas auftreten, in welchem sich die Bedingungen häufig ändern, nicht geeignet.
Um die oben beschriebenen Unzulänglichkeiten zu lösen, wurde ein Sensor zum Messen einer erwünschten Gaskomponente in einem Abgas mittels eines Substrats vorgeschlagen, das aus einem Sauerstoffionen leitenden Festelektrolyt besteht.
10 zeigt eine Anordnung eines Gassensors 10 im Querschnitt, der in der Japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 8-271476 offenbart ist.
Der Gassensor 10 arbeitet wie folgt: Ein Messgas wird in einen ersten Hohlraum 14 über einen ersten Diffusionsgeschwindigkeits-Bestimmungsabschnitt 12 eingebracht. Ein erstes Sauerstoffpumpmittel 22, das eine erste innere Pumpelektrode 16, ein Festelektrolyt 18 sowie eine äußere Pumpelektrode 20 enthält, wird verwendet, um im Messgas enthaltenen Sauerstoff hinein- oder hinauszupumpen, in den ersten Hohlraum 14 hinein oder aus diesem hinaus, und zwar in einem solchen Ausmaß, dass das Messgas nicht zersetzt wird.
Im Anschluss daran wird das Messgas in einen zweiten Hohlraum 26 über einen zweiten Diffusionsgeschwindigkeits-Bestimmungsabschnitt 24 eingebracht. Ein zweites Sauerstoffpumpmittel 36, das eine erste Messgas-Zersetzungselektrode 28, die im zweiten Hohlraum 26 angeordnet ist, ein zweites Festelektrolyt 30 und eine im Referenzgas-Einbringungsraum 32 angeordnete Referenzelektrode 34 enthält, wird verwendet, um Sauerstoff, der durch Zersetzung und Elektrolyse erzeugt wird, welche durch die angelegte Spannung oder die katalytische Wirkung, die durch die Messgas-Zersetzungselektrode 28 erzeugt wird, ausgelöst werden, hinauszupumpen.
Der Stromwert, der erforderlich ist, um Sauerstoff durch das zweite Sauerstoffpumpmittel 36 hinauszupumpen, wird gemessen, um die im Messgas enthaltene vorbestimmte Gaskomponente auf der Grundlage des Stromwerts zu messen.
Der Gassensor 10 ist z.B. auf NO_x-Sensoren, H₂O-Sensoren und CO₂-Sensoren zur Messung von NO_x, H₂O und CO₂, in welchen die vorbestimmte Gaskomponente Sauerstoff gebunden hat, anwendbar.
Im Fall der Verwendung als NO_x Sensor wird NO_x katalytisch z.B. unter Verwendung von Rh oder Pt für die Messgas-Zersetzungselektrode 28 zersetzt. Der während der Zersetzung erzeugte Sauerstoff kann als Pumpstrom detektiert werden, oder er kann als eine Änderung der Spannung einer Sauerstoffkonzentrationszelle detektiert werden.
Wie in 11 dargestellt ist, wurde ein weiterer Gassensor 10A vorgeschlagen (siehe z.B. Japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 9-113484), in welchem die Sauerstoffabhängigkeit des oben beschriebenen Gassensors 10 verbessert wird, wenn der Gassensor 10 als NO_x-Sensor verwendet wird.
Der Gassensor 10A umfasst eine Hilfspumpelektrode 38, die an einem zweiten Hohlraum 26 angeordnet ist. Ein drittes Sauerstoffpumpmittel, d.h. ein Hilfspumpmittel 40, besteht aus der Hilfspumpelektrode 38, den Festelektrolyten (umfassend 18 und 30) sowie aus einer Referenzelektrode 34. Der Sauerstoff, der diffundiert und aus einem ersten Hohlraum 14 in einer geringen Menge eindringt, wird erneut unter Verwendung des Hilfspumpmittels 40 herausgepumpt. Demgemäß ist es möglich, die Messgenauigkeit beträchtlich zu verbessern (insbesondere die Abhängigkeit von der Sauerstoffkonzentration).
Die Situation für die Gassensoren 10, 10A ist aber wie folgt: Selbst wenn die Sauerstoffkonzentration im Messgas unter Verwendung des ersten Sauerstoffpumpmittels 22 oder unter Verwendung des ersten Sauerstoffpumpmittels 22 und des Hilfspumpmittels 40 so geregelt wird, dass sie z.B. in der vorangegangenen Stufe der NO_x Messung nicht mehr als 1 ppm beträgt, ist der Pumpstromwert bei NO_x=0 (was hierin nachfolgend als "Offset-Wert" bezeichnet wird) ein Wert, der 100 ppm entspricht, was ein viel höherer Wert ist als jener, der 1 ppm entspricht.
Ist der Offset-Wert in allen Umgebungen, in welchen die Gassensoren 10, 10 verwendet werden, konstant, so kommt es zu keinen Problemen. Es wird aber befürchtet, dass ein großer Messfehler erzeugt werden kann, da der Offset-Wert abhängig von der Temperaturänderung des Abgases variiert.
Um den Offset-Wert zu senken, ist vorgesehen, dass eine strikte Regelung unter Verwendung des ersten Sauerstoffpumpmittels 22 und eine strikte Regelung unter Verwendung des Hilfspumpmittels 40 durchgeführt wird, so dass die zu regelnde Sauerstoffkonzentration weiter verringert wird. Bei einer solchen strikten Regelung ergibt sich aber das Problem, dass NO_x durch den dabei durchgeführten Pumpvorgang zersetzt wird.
12 zeigt eine Situation des oben beschriebenen Problems. Wird die Sauerstoffkonzentration im ersten Hohlraum 14 des in 10 dargestellten Gassensors 10 so geregelt, dass sie 10^–7 atm (etwa 300 mV als eine durch einen Sauerstoffkonzentrationsdetektor detektierte Spannung) beträgt, beträgt der Offset-Wert 1,0 μA.
Theoretisch und im Wesentlichen sollte der Offset-Wert ein Wert sein, der einer restlichen Sauerstoffkonzentration im ersten Hohlraum 14 entspricht, d.h. 0,1 ppm (oder entsprechend 0,2 ppm nach der Umwandlung in einen NO-Wert). Der Offset-Wert beträgt aber tatsächlich 1 μA (oder einen NO-Wert, der 200 ppm entspricht, die mittels Umwandlung erhalten werden). Die NO-Empfindlichkeit wird dementsprechend mit 5 μA/1.000 ppm berechnet.
Somit entspricht, wenn sich der Offset-Wert z.B. abhängig von der Temperatur des Sensorelements ändert, und wenn er sich in einem Grad von 10% ändert, die resultierende Änderung 20 ppm, wodurch dann ein ernstes Problem gegeben ist, wenn NO_x bei einer niedrigen Konzentration in einem Grad von einigen Hundert ppm gemessen wird.
13 zeigt eine solche Situation. Wenn z.B. die Temperatur des Messgases (Gastemperatur) um etwa 150 °C von 650 °C auf 800 °C geändert wird, wird der Offset-Wert in einem Ausma0 von etwa 1,5 μA, d.h. 300 ppm, geändert. Dies stellt ein ernstes Problem dar, wenn NO_x bei einer niedrigen Konzentration von einigen Hundert ppm gemessen wird.
Um dieses Problem zu lösen, wird ein Verfahren konzipiert, in welchem die Sauerstoffkonzentration im ersten Hohlraum 14 gesenkt wird. Aber selbst wenn die Sauerstoffkonzentration im ersten Hohlraum 14 auf 10^–7 atm gesenkt wird, beträgt der Offset-Wert immer noch 1 μA. Wird die Sauerstoffkonzentration auf 10^–12 atm gesenkt, so beträgt der Offset-Wert schließlich 0,1 μA (was 20 ppm entspricht). Unter dieser Bedingung, selbst wenn der Offset-Wert um 20 % aufgrund von Temperaturänderung oder dergleichen geändert wird, wird das Änderungsausmaß auf etwa höchstens 4 ppm reduziert, was eine ausreichende Menge darstellt, um eine Messung von einigen Hundert ppm durchzuführen.
Aber wenn die Sauerstoffkonzentration im ersten Hohlraum 14 zu weit gesenkt wird, erfolgt die Reaktion mit NO_x im ersten Hohlraum 14 vor der Verbrennung der entzündbaren Gaskomponenten wie HC und CO, die im Abgas enthalten sind. Dadurch entsteht ein neues Problem, da die Empfindlichkeit abnimmt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung wurde unter Berücksichtigung der zuvor erwähnten Probleme ausgeführt, wobei ein Ziel dieser darin besteht, einen Gassensor bereitzustellen, der die Reduktion einer vorbestimmten Gaskomponente verhindert oder minimiert, wodurch es möglich wird, den Offset-Wert auf ein Ausmaß zu verringern, wodurch bei der Messung keine Probleme entstehen, und wodurch es möglich wird, die Messgenauigkeit für die vorbestimmte Gaskomponente zu verbessern.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Gassensor bereitgestellt, wie er in Anspruch 1 dargelegt ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird zuerst der Sauerstoff, der im vom Außenraum eingebrachten Messgas enthalten ist, durch das Hauptpumpmittel pumpverarbeitet, und der Sauerstoff wird so reguliert, dass er eine vorbestimmte Konzentration aufweist., d.h. der Sauerstoffpartialdruck im Verarbeitungsraum wird durch das Hauptpumpmittel so geregelt, dass er den vorbestimmten Wert aufweist, bei welchem die im Messgas enthaltene vorbestimmte Gaskomponente nicht zersetzt werden kann. Die vorbestimmte Gaskomponente umfasst z.B. NO. Das Messgas, das für die Sauerstoffkonzentration mithilfe des Hauptpumpmittels eingestellt wurde, wird im nächsten Schritt in das Detektionspumpmittel eingebracht. Das Detektionspumpmittel zersetzt die im Messgas enthaltene Messgaskomponente, nachdem diese durch das Hauptpumpmittel pumpverarbeitet wurde, mittels katalytischer Wirkung und/oder Elektrolyse. Der durch die Zersetzung erzeugte Sauerstoff wird dem Pumpvorgang unterzogen. Der Pumpstrom wird im Detektionspumpmittel entsprechend der Menge an durch das Detektionspumpmittel pumpverarbeitetem Sauerstoff erzeugt. Die Messgaskomponente, die der Menge an Sauerstoff entspricht, wird auf Grundlage des erzeugte Pumpstroms gemessen. Die Messgaskomponente umfasst z.B. NO_x.
Die Messgaskomponente wird gemessen, so dass, wenn die Spannung an das Festelektrolyt angelegt wird, der Strom entsprechend der Bewegung des Sauerstoffions fließt, und der Strom wird als Pumpstrom gemessen. Wenn das Messpumpmittel bei hoher Temperatur arbeitet, stammt während dieses Vorgangs der Strom, der durch das Festelektrolyt fließt, nicht nur vom Sauerstoffion, sondern es erfolgt eine elektronische Leitung, wenngleich nur in einer äußerst winzigen Menge. Die elektronische Leitung erscheint als ein Offset-Wert.
Die elektronische Leitfähigkeit ist im Vergleich zur Leitfähigkeit von Sauerstoffionen extrem klein, und wird herkömmlicherweise beinahe vernachlässigt. Wird aber die Konzentration einer extrem winzigen Gasmenge gemessen, so wird der Grenzstrom nur in einer Höhe von einigen μA erhalten. Somit wirkt die elektronische Leitung im Bereich von μA als großer Fehlerfaktor. In der vorliegenden Erfindung wird aber der Widerstand der elektronischen Leitfähigkeit des Messpumpmittels so reguliert, dass er nicht mehr als 1 MΩ beträgt. Somit ist es möglich, die elektronische Leitung des Messpumpmittels zu unterdrücken. Demgemäß kann der Offset-Wert reduziert werden, und die vorliegende Erfindung ist somit bei der Messung der Messgaskomponente bei einer niedrigen Konzentration äußerst zweckdienlich.
Wie oben beschrieben ist, wird anerkannt, dass der Widerstand der elektronischen Leitfähigkeit des Messpumpmittels nicht weniger als 1 MΩ beträgt. Der Widerstand der elektronischen Leitfähigkeit beträgt aber vorzugsweise nicht weniger als 2 MΩ und insbesondere nicht weniger als 4 MΩ.
Der wie oben konstruierte Gassensor kann weiters ein Hilfspumpmittel umfassen, einschließlich dabei das Festelektrolyt und eine innere Hilfspumpelektrode sowie eine äußere Hilfspumpelektrode, die in Kontakt mit dem Festelektrolyt gebildet ist, um im Messgas enthaltenen Sauerstoff nach der Pumpverarbeitung durch das Hauptpumpmittel zum Hauptpumpmittel hin hinauszupumpen.
In dieser Ausführungsform ist es möglich, den im Messgas enthaltenen Sauerstoff nach der Pumpverarbeitung durch das Hauptpumpmittel, d.h. den Sauerstoff, der in einer geringen Menge diffundiert und eindringt, hinauszupumpen. Somit ist es mög lich, die Abhängigkeit der Sauerstoffkonzentration des Hauptpumpmittels zu verbessern, und auf diese Weise ist es möglich, die Messgenauigkeit zu verbessern.
Der wie oben beschrieben konstruierte Gassensor kann weiters eine Heizvorrichtung umfassen, um zumindest das Hauptpumpmittel und das Messpumpmittel auf vorbestimmte Temperaturen zu erhitzen, sowie ein Heizvorrichtungsregelmittel, um die elektrische Energie der Heizvorrichtung so zu regeln, dass die Temperatur in der unmittelbaren Umgebung des Messpumpmittels konstant ist. In dieser Ausführungsform ist es, selbst wenn sich die Temperatur des Messgases ändert, leicht, das Messpumpmittel so zu regeln, dass eine konstante elektronische Leitfähigkeit gegeben ist. Somit ist es in dieser Ausführungsform von Vorteil, die Messgaskomponente bei einer niedrigen Konzentration zu messen.
Gemäß eines weiteren Aspekts der vorliegenden Erfindung ist ein Gassensor bereitgestellt, wie er in Anspruch 6 dargelegt ist.
Gemäß dieses Aspekts der vorliegenden Erfindung wird die Regelung durchgeführt, um zwischen den Elektroden, zwischen welchen der Pumpstrom fließt, eine konstante Impedanz zu erzeugen, d.h. wenn das Messpumpmittel durch eine Detektionselektrode, die gegenüber dem Messgas nach Pumpverarbeitung durch das Hauptpumpmittel freiliegt, eine Referenzelektrode, die an einem Referenzgas-Einbringungsraum zum Einbringen eines Referenzgases in diesen ausgebildet ist, sowie ein Festelektrolyt, das zwischen den Elektroden liegt, gebildet wird, wird die Impedanz zwischen der Detektionselektrode und der Referenzelektrode gemessen, um die Heizvorrichtung zu regeln.
Alternativ dazu wird, wenn das Messpumpmittel durch die Detektionselektrode, eine andere Elektrode (z.B. eine äußere Hauptpumpelektrode für die Bildung des Hauptpumpmittels) als die Referenzelektrode sowie durch das Festelektrolyt, das zwischen den Elektroden liegt, gebildet wird, und wenn der Pumpstrom zwischen der Detektionselektrode und der äußeren Hauptpumpelektrode fließen darf, während eine zwischen der Referenzelektrode und der Detektionselektrode erzeugte elektromoto rische Kraft erzeugt wird, die Impedanz zwischen der Detektionselektrode und der äußeren Hauptpumpelektrode gemessen, um die Heizvorrichtung zu regeln.
Im Gassensor gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, die Variationsbreite des mit der Temperaturänderung in Zusammenhang stehenden Offset-Werts zu verringern. Somit ist es möglich, den Gassensor mit extrem hoher Genauigkeit zu erhalten.
Im Gassensor gemäß der vorliegenden Erfindung kann, selbst wenn sich die Temperatur des Messgases ändert, der Offset-Wert so geregelt werden, dass er konstant ist. Weiters beträgt die Widerstandsfähigkeit der elektronischen Leitung des Messpumpmittels nach der Umwandlung in einen Widerstand-Wert nicht weniger als 100 kΩ. Somit ist der Gassensor der vorliegenden Erfindung insofern sehr vorteilhaft, als es möglich ist, für ausreichend Toleranzspielraum zu sorgen, selbst wenn die elektronische Leitfähigkeit einigermaßen groß ist.
Der wie oben beschrieben konstruierte Gassensor kann weiters ein Hilfspumpmittel, umfassend das Festelektrolyt und eine innere Hilfspumpelektrode sowie eine äußere Hilfspumpelektrode, die in Kontakt mit dem Festelektrolyt gebildet ist, umfassen, um im Messgas nach der Pumpverarbeitung durch das Hauptpumpmittel enthaltenen Sauerstoff zum Hauptpumpmittel hin hinauszupumpen.
In dieser Ausführungsform ist es möglich, den nach der Pumpverarbeitung durch das Hauptpumpmittel im Messgas enthaltenen Sauerstoff, d.h. den Sauerstoff, der in einer winzigen Menge diffundiert und eindringt, hinauszupumpen. Somit ist es möglich, die Abhängigkeit der Sauerstoffkonzentration des Hauptpumpmittels beträchtlich zu verbessern. Dadurch ist es möglich, die Messgenauigkeit zu verbessern.
Die obigen und anderen Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnun gen, in welchen eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung anhand von Beispielen dargestellt ist, besser verständlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt einen Grundriss einer Struktur eines Gassensors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 zeigt eine Schnittansicht entlang einer Linie A-A in 1;
3A zeigt eine Ansicht einer Konfiguration vor der Verbesserung des Heizvorrichtungsmusters;
3B zeigt eine Ansicht einer Konfiguration nach der Verbesserung des Heizvorrichtungsmusters;
4 zeigt charakteristische Kurven der Temperaturverteilungen in Sensorelementen vor und nach der Verbesserung des Heizvorrichtungsmusters;
5 zeigt eine charakteristische Kurve der Variation des Offset-Werts in Bezug auf die Änderung der Gastemperatur im Gassensor gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
6 zeigt eine Anordnung eines Heizvorrichtungs-Regelsystems, das im Gassensor gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gemeinsam mit dem Sensorelement bereitgestellt ist;
7 zeigt eine Anordnung einer Impedanz-Detektionsschaltung des Heizvorrichtungs-Regelsystems;
8 zeigt ein Schaltdiagramm einer Anordnung des Heizvorrichtungs-Regelsystems;
9 zeigt eine andere veranschaulichende Anordnung einer Hilfspumpzelle;
10 zeigt eine Anordnung eines vorgeschlagenen herkömmlichen Gassensors;
11 zeigt eine Anordnung eines anderen vorgeschlagenen herkömmlichen Gassensors;
12 zeigt eine charakteristische Kurve der Änderung des Pumpstroms in Bezug auf die Änderung der NO-Konzentration, die erhalten wird, wenn die Sauerstoffkonzentration im ersten Hohlraum auf 0,1 ppm geregelt wird; und
13 zeigt eine charakteristische Kurve der Variation des Offset-Werts in Bezug auf die Änderung der Gastemperatur im vorgeschlagenen herkömmlichen Gassensor.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Es folgt mit Bezug auf die 1 bis 9 eine Beschreibung der beispielhaften Ausführungsformen, in weichen der Gassensor der vorliegenden Erfindung auf Gassensoren zum Messen von Gaskomponenten wie NO, NO₂, SO₂, CO₂ und H₂O angewendet wird, die z.B. in Atmosphäreluft und Abgas, das von Fahrzeugen und oder Automobilen abgegeben wird, enthalten sind (hierin nachfolgend einfach als "Gassensor gemäß der Ausführungsform" bezeichnet).
Wie in den 1 und 2 dargestellt ist, ist ein Gassensor 50 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Allgemeinen so konstruiert, dass er insgesamt eine längliche, plattenförmige Konfiguration aufweist, die z.B. sechs aufeinandergeschichtete Festelektrolytschichten 50a bis 50f umfasst, die aus Keramikmaterialien auf der Grundlage der Verwendung von Sauerstoffionen leitenden Festelektrolyten wie ZrO₂ bestehen. Die erste und zweite Schicht vom Boden aus werden als erste und zweite Substratschicht 50a bzw. 50b bezeichnet. Die dritte und die fünfte Schicht vom Boden aus werden als erste und zweite Abstandsschicht 50c bzw. 50e bezeichnet. Die vierte und die sechste Schicht vom Boden aus werden als erste und zweite Festelektrolytschicht 50d bzw. 50f bezeichnet.
Spezifisch wird die erste Abstandsschicht 50c auf die zweite Substratschicht 50b geschichtet. Die erste Festelektrolytschicht 50d, die zweite Abstandsschicht 50e und die zweite Festelektrolytschicht 50f werden nacheinander auf die erste Abstandsschicht 50c geschichtet. Ein Zwischenraum (Referenzgas-Einbringungsraum) 52, in welchen ein Referenzgas wie Atmosphärenluft, das als Referenz für die Messung von Oxiden verwendet wird, eingebracht wird, ist zwischen der zweiten Substratschicht 50b und der ersten Festelektrolytschicht 50d ausgebildet, wobei der Zwischenraum 52 durch eine Unterseite der ersten Festelektrolytschicht 50d, eine Oberseite der zweiten Substratschicht 50b und Seitenflächen der ersten Abstandsschicht 50c definiert ist.
Die zweite Abstandsschicht 50e ist zwischen der ersten und der zweiten Festelektrolytschicht 50d, 50f angeordnet. Der erste und der zweite Diffusionsgeschwindigkeits-Bestimmungsabschnitt 54, 56 sind ebenfalls zwischen der ersten und der zweiten Festelektrolytschicht 50d, 50f angeordnet.
Eine erste Kammer 58 zum Einstellen des Sauerstoffpartialdrucks in einem Messgas ist durch eine Unterseite der zweiten Festelektrolytschicht 50f, Seitenflächen des ersten und des zweiten Diffusionsgeschwindigkeits-Bestimmungsabschnitts 54, 56 sowie eine Oberseite der ersten Festelektrolytschicht 50d gebildet und definiert. Eine zweite Kammer 60 für die Feineinstellung des Sauerstoffpartialdrucks im Messgas und zum Messen von Oxiden wie Stickoxiden (NO_x) im Messgas ist durch eine Unterseite der zweiten Festelektrolytschicht 50f, eine Seitenfläche des zweiten Diffusionsgeschwindigkeits-Bestimmungsabschnitts 56, eine Seitenfläche der zweiten Abstandsschicht 50e sowie eine Oberseite der ersten Festelektrolytschicht 50d gebildet und definiert.
Der Außenraum kommuniziert mit der ersten Kammer 58 über den ersten Diffusionsgeschwindigkeits-Bestimmungsabschnitt 54, und die erste Kammer 58 kommuniziert mit der zweiten Kammer 60 über den zweiten Diffusionsgeschwindigkeits-Bestimmungsabschnitt 56.
Der erste und der zweite Diffusionsgeschwindigkeits-Bestimmungsabschnitt 54, 56 verleihen dem in die erste bzw. die zweite Kammer 58, 60 einzubringenden Messgas vorbestimmte Diffusionswiderstände. Jeder der ersten und zweiten Diffusionsgeschwindigkeits-Bestimmungsabschnitte 54, 56 kann als ein Durchgang ausgebildet werden, der z.B. aus einem porösen Material (z.B. einem aus ZrO₂ bestehenden porösem Element) besteht, oder als ein kleines Loch, das über eine vorbestimmte Querschnittsfläche verfügt, so dass das Messgas eingebracht werden kann. Alternativ dazu kann jeder der ersten und zweiten Diffusionsgeschwindigkeits-Bestim mungsabschnitte 54, 56 durch eine Abstandsschicht oder eine mittels Druck erzeugte poröse Schicht konstruiert sein. In dieser Ausführungsform ist die Vergleichshöhe zwischen den jeweiligen Diffusionswiderständen des ersten und des zweiten Diffusionsgeschwindigkeits-Bestimmungsabschnitts 54, 56 nicht von Belang. Es wird aber bevorzugt, dass der Diffusionswiderstand des zweiten Diffusionsgeschwindigkeits-Bestimmungsabschnitts 56 größer als jener des ersten Diffusionsgeschwindigkeits-Bestimmungsabschnitts 54 ist.
Die Atmosphäre in der ersten Kammer 58 wird in die zweite Kammer 60 unter dem vorbestimmten Diffusionswiderstand über den zweiten Diffusionsgeschwindigkeits-Bestimmungsabschnitt 56 eingebracht.
Eine innere Pumpelektrode 62 mit einer im Wesentlichen rechteckigen, ebenen Konfiguration, die aus einer porösen Cermet-Elektrode besteht, ist auf einem gesamten Unterseitenabschnitt der Unterseite der zweiten Festelektrolytschicht 50f zur Ausbildung der ersten Kammer 58 ausgebildet. Eine äußere Pumpelektrode 64 ist auf einem Abschnitt der Oberseite der zweiten Festelektrolytschicht 50f ausgebildet, welcher der inneren Pumpelektrode 62 entspricht. Eine elektrochemische Pumpzelle, d.h. eine Hauptpumpzelle 66, wird durch die innere Pumpelektrode 62, die äußere Pumpelektrode 64 und die zweite Festelektrolytschicht 50f, die zwischen den beiden Elektroden 62, 64 angeordnet ist, gebildet.
Eine erwünschte Steuerspannung (Pumpspannung) Vp1 wird zwischen der inneren Pumpelektrode 62 und der äußeren Pumpelektrode 64 der Hauptpumpzelle 66 mithilfe einer externen verfügbaren Energiequelle 68 angelegt, damit ein Pumpstrom Ip1 in eine positive Richtung oder in eine negative Richtung zwischen der äußeren Pumpelektrode 64 und der inneren Pumpelektrode 62 fließen kann. Somit kann der Sauerstoff in der Atmosphäre in der ersten Kammer 58 nach außen gepumpt werden, oder der Sauerstoff im Außenraum kann in die erste Kammer 58 gepumpt werden.
Eine Messelektrode 70 mit einer im Wesentlichen rechteckigen, ebenen Konfiguration, die aus einer porösen Cermet-Elektrode besteht, ist in der unmittelbaren Umgebung des zweiten Diffusionsgeschwindigkeits-Bestimmungsabschnitts 56 auf einem Oberseitenabschnitt der Oberseite der ersten Festelektrolytschicht 50d ausgebildet, um die erste Kammer 58 zu bilden. Eine Referenzelektrode 72 ist auf einem Unterseitenabschnitt der Unterseite der ersten Festelektrolytschicht 50d ausgebildet, der gegenüber dem Referenzgas-Einbringungszwischenraum 52 freiliegt. Eine elektrochemische Sensorzelle, d.h. eine regelnde Sauerstoffpartialdruck-Messzelle 74, besteht aus der Messelektrode 70, der Referenzelektrode 72 und der ersten Festelektrolytschicht 50d.
Die regelnde Sauerstoffpartialdruck-Messzelle 74 wird so betrieben, dass der Sauerstoffpartialdruck in der Atmosphäre in der ersten Kammer 58 durch die Messung der elektromotorischen Kraft, die zwischen der Messelektrode 70 und der Referenzelektrode 72 erzeugt wird, auf der Grundlage der Differenz der Sauerstoffkonzentration zwischen der Atmosphäre in der ersten Kammer 58 und dem Referenzgas (Atmosphärenluft) im Referenzgas-Einbringungszwischenraum 52 mittels eines Voltmessers detektiert wird.
D.h. die Spannung V, die zwischen der Referenzelektrode 72 und der Messelektrode 70 erzeugt wird, ist die elektromotorische Kraft der Sauerstoffkonzentrationszelle, die auf der Grundlage der Differenz zwischen dem Sauerstoffpartialdruck des in den Referenzgas-Einbringungszwischenraum 52 eingebrachten Referenzgases und des Sauerstoffpartialdrucks des Messgases in der ersten Kammer 58 erzeugt wird. Die Spannung V weist die folgende Beziehung auf, die als die Nernst'sche Gleichung bezeichnet wird. V1 = RT/4F·In(P1(O2)/P0(O2))

R:: Gaskonstante;
T:: Absolute Temperatur;
F:: Faraday'sche Konstante;
P₁(O₂):: Sauerstoffpartialdruck in der ersten Kammer 58;
P₀(O₂):: Sauerstoffpartialdruck im Referenzgas.

Somit kann der Sauerstoffpartialdruck in der ersten Kammer 58 durch Messung der auf Basis der Nernst'schen Gleichung erzeugten Spannung V unter Verwendung des Voltmessers 76 detektiert werden.
Der detektierte Wert des Sauerstoffpartialdrucks wird verwendet, um die Pumpspannung Vp1 der variablen Energiequelle 68 mithilfe eines Rückkopplungs-Steuersystems 78 zu regeln. Insbesondere der durch die Hauptpumpzelle 66 bewirkte Pumpvorgang wird so geregelt, dass der Sauerstoffpartialdruck in der Atmosphäre in der ersten Kammer 58 einen vorbestimmten Wert aufweist, der ausreichend gering ist, um den Sauerstoffpartialdruck in der zweiten Kammer 60 im nächsten Schritt zu steuern.
Jede der inneren Pumpelektrode 62 und der äußeren Pumpelektrode 64 der Hauptpumpzelle 66 und der Messelektrode 70 der regelnden Sauerstoffpartialdruck-Messzelle 74 besteht aus einem inerten Material mit einer geringen katalytischen Aktivität auf NO_x wie NO, das im in den Gassensor eingebrachten Messgas enthalten ist.
Insbesondere die innere Pumpelektrode 62 und die Messelektrode 70 können aus einer porösen Cermet-Elektrode bestehen. In dieser Ausführungsform besteht die Elektrode aus einem Metall wie Pt und einem Keramikmaterial wie ZrO₂. Es ist erforderlich, ein Material, das über eine schwache oder keine Reduktionsfähigkeit in Bezug auf die NO-Komponente im Messgas verfügt, für die innere Pumpelektrode 62 und die Messelektrode 70 zu verwenden, die in der ersten Kammer 58 angeordnet sind, um Kontakt mit dem Messgas herzustellen. Vorzugsweise bestehen die innere Pumpelektrode 62 und die Messelektrode 70 z.B. aus einer Verbindung mit der Perovskit-Struktur wie La₃CuO₄, ein Cermet, das ein Keramikmaterial und ein Metall wie Au mit einer geringen katalytischen Aktivität umfasst, oder ein Cermet, das ein Keramikmaterial, ein Metall der Pt-Gruppe und ein Metall wie Au mit einer geringen katalytischen Aktivität umfasst. Wird eine aus Au und einem Metall der Pt-Gruppe bestehende Legierung als Elektrodenmaterial verwendet, wird vorzugsweise Au in einer Menge von 0,03 bis 35 Vol.-% der gesamten Metallkomponente zugegeben.
Weiters ist eine Detektionselektrode 80 mit einer im Wesentlichen rechteckigen, ebenen Konfiguration und bestehend aus einer porösen Cermet-Elektrode auf einem Oberseitenabschnitt der Oberseite der ersten Festelektrolytschicht 50d zur Ausbildung der zweiten Kammer 60 gebildet. Eine elektrochemische Pumpzelle, d.h. eine Messpumpzelle 82, wird durch die Detektionelektrode 80, die innere Pumpelektrode 62 der Hauptpumpzelle 66, die erste Festelektrolytschicht 50d, die zweite Abstandsschicht 50e und die zweite Festelektrolytschicht 50f gebildet.
Die Detektionselektrode 80 besteht z.B. aus einem porösen Cermet, das Rh als ein Metall, das NO_x als Messgaskomponente reduzieren kann, und Zirkoniumoxid als ein Keramikmaterial umfasst. Demgemäß dient die Detektionselektrode 80 als NO_x-reduzierender Katalysator zur Reduzierung von in der Atmosphäre in der zweiten Kammer 60 vorhandenem NO_x. Weiters kann, wenn eine Messspannung Vp2 zwischen der Detektionselektrode 80 und der Referenzelektrode 72 mithilfe einer Gleichstrom-Energiequelle 84 angelegt wird, der Sauerstoff in der Atmosphäre in der zweiten Kammer 60 zum Referenzgas-Einbringungszwischenraum 52 herausgepumpt werden. Der Pumpstrom Ip2, der entsprechend dem Pumpvorgang der Messpumpzelle 82 fließt, wird durch ein Amperemeter 86 detektiert.
Andererseits wird eine Hilfspumpelektrode 88 mit einer im Wesentlichen rechteckigen ebenen Konfiguration und bestehend aus einer porösen Cermet-Elektrode auf einem gesamten Unterseitenabschnitt der Unterseite der zweiten Festelektrolytschicht 50f ausgebildet, um die zweite Kammer 60 zu bilden. Eine elektrochemische Hilfspumpzelle, d.h. eine Hilfspumpzelle 90, wird durch die Hilfspumpelektrode 88, die zweite Festelektrolytschicht 50f, die zweite Abstandsschicht 50e, die erste Festelektrolytschicht 50d und die Referenzelektrode 72 gebildet. Ebenso wie in der inneren Pumpelektrode 62 der oben beschriebenen Hauptpumpzelle 66 basiert die Hilfspumpelektrode 88 auf der Verwendung eines Materials, das eine schwache Reduktionsfähigkeit oder gar keine Reduktionsfähigkeit in Bezug auf die NO- Komponente im Messgas aufweist. In dieser Ausführungsform besteht z.B. die Hilfspumpelektrode 88 vorzugsweise aus einer Verbindung mit Pervoskit-Struktur wie La₃CuO₄, einem Cermet, das ein Keramikmetall und ein Metall wie Au mit einer geringen katalytischen Wirkung umfasst, oder einem Cermet, das ein Keramikmaterial, ein Metall der Pt-Gruppe und ein Metall wie Au mit einer geringen katalytischen Wirkung umfasst. Wird eine Legierung, die aus Au und einem Metall der Pt-Gruppe besteht, als Elektrodenmaterial verwendet, so wird Au vorzugsweise in einer Menge von 0,03 bis 35 Vol-% der gesamten Metallkomponente zugegeben.
Eine erwünschte konstante Spannung Vp3 wird zwischen der Hilfspumpelektrode 88 und der Referenzelektrode 72 der Hauptpumpzelle 90 mithilfe einer externen Gleichstrom-Energiequelle 92 angelegt. Auf diese Weise kann der Sauerstoff in der Atmosphäre in der zweiten Kammer 60 zum Referenzgas-Einbringungsraum 52 herausgepumpt werden.
Demgemäß wird der Sauerstoffpartialdruck in der Atmosphäre in der zweiten Kammer 60 so geregelt, dass er einen niedrigen Wert aufweist, der somit die Messung der Menge der Zielkomponente unter einer Bedingung, in welcher die Messgaskomponente (NO_x) im Wesentlichen nicht reduziert oder zersetzt wird, nicht wesentlich beeinträchtigt. In dieser Anordnung wird die Änderung der Menge an Sauerstoff, die in die zweite Kammer 60 eingebracht wird, im Vergleich zur Änderung des Messgases aufgrund des Betriebs der Hauptpumpzelle 66 für die erste Kammer 58 stark reduziert. Demgemäß wird der Sauerstoffpartialdruck in der zweiten Kammer 60 genau und konstant gesteuert.
Der Gassensor 50 gemäß dieser Ausführungsform umfasst weiters eine Heizvorrichtung 94 zum Erzeugen von Wärme gemäß der Zufuhr von elektrischer Energie von außen. Das Heizgerät 94 ist so eingebettet, dass es vertikal zwischen der ersten und der zweiten Substratschicht 50a, 50b angeordnet ist. Die Heizvorrichtung 94 ist vorgesehen, um die Leitfähigkeit für Sauerstoffionen zu steigern. Eine Keramikschicht 96, die aus Aluminiumoxid oder dergleichen besteht, ist ausgebildet, um die Ober- und Unterseiten der Heizvorrichtung 94 zu bedecken, damit die Heizvorrichtung 94 elektrisch von den Substratschichten 50a, 50b isoliert ist.
Wie in 2 dargestellt, ist die Heizvorrichtung 94 über dem gesamten Abschnitt angeordnet, der sich von der ersten Kammer 58 zur zweiten Kammer 60 erstreckt. Demgemäß wird jede erste Kammer 58 und jede zweite Kammer 60 auf eine vorbestimmte Temperatur erwärmt. Gleichzeitig werden auch die Hauptpumpzelle 66, die regelnde Sauerstoffpartialdruck-Messzelle 74 und die Messpumpzelle 82 auf eine vorbestimmte Temperatur erhitzt und bei dieser Temperatur gehalten.
Der Pumpstrom, d.h. der Offset-Strom, der durch die Messpumpzelle 82 auf NO_x=0 fließt, weist idealerweise einen Wert auf, welcher der restlichen Sauerstoffkonzentration in der ersten Kammer 58 oder der Hilfspumpzelle 90 entspricht. Wird z.B. die Sauerstoffkonzentration in der ersten Kammer 58 mithilfe der Hauptpumpzelle 66 so geregelt, dass sie 0,1 ppm beträgt, so sollte der Offset-Strom einen Wert aufweisen, der etwa 0,2 ppm entspricht. Wie in 12 dargestellt ist, weist aber der Offset-Strom tatsächlich einen Wert auf, der 200 ppm entspricht.
Dies bedeutet, dass 200 ppm Sauerstoff in irgendeiner Weise in die Detektionselektrode 80 eintreten. Die Ursache dieses Phänomens kann in einer unzureichenden Abdichtung zweiten Kammer 60 gegen Luft der aufgrund der unvollständigen Schichtung, wenn das Sensorelement 100 des Gassensors 50 durch Sintern eines geschichteten Kompakts aus ZrO₂ erzeugt wird, liegen, oder im Auftreten von mikroskopisch kleinen Rissen während des Sintervorgangs, oder in einer unzureichenden Abdichtung gegen Luft des Zuleitungsdrahts (z.B. ein Pt/ZrO₂-Cermet-Zuleitungsdraht), der mit der Detektionselektrode 80 oder der Hilfspumpelektrode 88 verbunden ist, um eine elektrische Verbindung mit der Atmosphärenseite herzustellen. Überraschenderweise zeigte sich, dass ein unerwarteter Abschnitt die Ursache für dieses Phänomen darstellt.
Im Gassensor 50 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird, um den Offset-Wert zu senken, das Muster der Heizvorrichtung 94 verbessert, wie dies in 3B dargestellt ist, so dass die elektronische Leitung der Messpumpzelle 82 so geregelt wird, dass sie nach der Umwandlung in einen Widerstand-Wert nicht weniger als 1 MΩ beträgt.
Insbesondere das Muster der Heizvorrichtung 94 wird gewöhnlich so konzipiert, dass die jeweiligen Pumpzellen 66, 82, 90 einheitlich erhitzt werden, um die Fähigkeiten der Hauptpumpzelle 66, der Messpumpzelle 82 sowie der Hilfspumpzelle 90 ausreichend hervorzuheben. Wie z.B. in 3A dargestellt ist, wird für ein Muster 94a an einem Abschnitt, der dem vorderen Ende des Sensorelements 100 entspricht, ein enger Abstand verwendet, während für ein Muster 94b an einem mittleren Abschnitt ein breiter Abstand verwendet wird, und ein enger Abstand für ein Muster 94c an einem Abschnitt, der dem hinteren Ende des Sensorelements 100 entspricht, verwendet wird.
In dieser Ausführungsform beträgt die Temperatur zwischen der Detektionselektrode 80 und der Referenzelektrode 72 der Messpumpzelle 82, d.h. die Temperatur an einer Position (die hierin nachfolgend einfach als "Position, die durch den Punkt P bezeichnet wird" benannt wird), die vom vorderen Ende A des Sensorelements 100 um einen vorbestimmten Abstand "m" in die Tiefenrichtung, wie dies in 2 dargestellt ist, getrennt ist, etwa 840 °C, wie dies durch die Temperaturverteilungskurve "a" in 4 gezeigt ist.
Andererseits weist, wie in 3B gezeigt, die Heizvorrichtung 94 des Gassensors 50 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Muster auf, in welchem das Muster 94c des Abschnitts, der dem hinteren Ende des Sensorelements 100 entspricht, vom Muster der in 3A dargestellten Heizvorrichtung 94 entfernt ist.
Demgemäß beträgt die Temperatur (Temperatur am Punkt P) zwischen der Detektionselektrode 80 und der Referenzelektrode 72 der Messpumpzelle 82 etwa 700 °C, wie dies durch eine Temperaturverteilungskurve "b" in 4 dargestellt ist. Die Temperatur in dieser Ausführungsform wird im Vergleich zur Temperatur von etwa 840 °C, die durch die Verbesserung des Musters erhalten wird, um etwa 140 °C gesenkt.
Der Gassensor 50 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist im Grunde wie oben beschrieben konstruiert. Als nächstes sind Funktion und Wirkung des Gassensors beschrieben.
Vor der Messung von NO_x wird der Gassensor 50 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einen Zustand gebracht, in welchem das Messgas in die erste Kammer 58 eingebracht werden kann. Danach wird an die Heizvorrichtung 94 elektrische Energie angelegt, um die ersten und zweiten Festelektrolytschichten 50d, 50f in einen erwünschten Zustand zu aktivieren.
Als nächstes wird das Messgas in den Gassensor 50, der wie zuvor beschrieben eingestellt wurde, eingebracht, um die Messung des im Messgas enthaltenen NO_x zu beginnen.
Das Messgas wird in die erste Kammer 58 unter dem vorbestimmten Diffusionswiderstand durch den ersten Diffusionsgeschwindigkeits-Bestimmungsabschnitt 54 eingebracht. Der im Messgas enthaltene Sauerstoffpartialdruck wird so geregelt, dass er einen vorbestimmten Wert gemäß der vorbestimmten Pumpspannung Vp1 aufweist, die zwischen der inneren Pumpelektrode 62 und der äußeren Pumpelektrode 64 mithilfe der variablen Energiequelle 68 angelegt wird; d.h. der Sauerstoffpartialdruck in der ersten Kammer 58 kann bezogen auf die Spannung V zwischen der inneren Pumpelektrode 62 und der Referenzelektrode 72, die durch das Voltmeter 76 detektiert wird, gemessen werden. Die Spannung V ist die elektromotorische Kraft der Sauerstoffkonzentrationszelle, die in der obigen Gleichung nach Nernst spezifiziert wurde. Die Spannung der variablen Energiequelle 68 wird so gesteuert, dass die Spannung V z.B. nicht mehr als 300 mV beträgt. Somit wird der Sauerstoffpartialdruck in der ersten Kammer 58 auf einen vorbestimmten Wert gebracht.
Das Messgas, das auf einen vorbestimmten Sauerstoffpartialdruck in der ersten Kammer 58 gebracht wurde, wird in die zweite Kammer 60 durch den zweiten Diffusionsgeschwindigkeits-Bestimmungsabschnitt 56 eingebracht.
In der zweiten Kammer 60 wird die vorbestimmte Pumpspannung Vp2, durch die es möglich ist, ausreichend O₂ in die zweite Kammer 60 herauszupumpen, zwischen der Referenzelektrode 72 und der Detektionselektrode 80 mithilfe der Gleichstrom-Energiequelle 84 angelegt. Das im Messgas enthaltene NO_x wird mithilfe der Pumpspannung Vp2 oder des in der zweiten Kammer 60 angeordneten NO_x zersetzenden Katalysators zersetzt. Das auf diese Weise erzeugte O₂ wird zum Referenzgas-Einbringungsraum 52 durch die erste Festelektrolytschicht 50d herausgepumpt. Während dieses Vorgangs wird der Stromwert Ip2, der durch die Bewegung der Sauerstoffionen erzeugt wird, mit dem Amperemeter 86 gemessen. Die Konzentration des vorbestimmten Oxids, so z.B. NO_x, das als NO und NO₂ im Messgas enthalten ist, wird aus dem Stromwert Ip2 gemessen.
D.h. wenn die Spannung an das Sauerstoffionen leitende Festelektrolyt wie ZrO₂ (erste Festelektrolytschicht 50d in der in 1 dargestellten Ausführungsform) angelegt wird, fließt der Strom entsprechend der Bewegung der Sauerstoffionen, und der Strom wird als Pumpstrom Ip2 mittels des Amperemeters 86 detektiert. Im Fall eines Protonenionen leitenden Festelektrolyts fließt der Strom entsprechend der Bewegung der Protonen.
Arbeitet die Messpumpzelle 82 während der Messung von NO_x bei einer hohen Temperatur, so umfasst der Strom, der durch das erste Festelektrolyt 50d fließt, nicht nur den Strom, der seinen Ursprung in den Sauerstoffionen hat. Es zeigte sich auch, dass es eine elektronische Leitung gibt, wenngleich nur in einer sehr geringen Menge, und dies erscheint als Offset-Strom.
Die elektronische Leitfähigkeit beträgt im Vergleich zur Leitfähigkeit von Sauerstoffionen etwa 1/1.000. Geht man z.B. davon aus, dass die Leitfähigkeit von Sauerstoffionen etwa 1/100 (Einheit 1/Ω) entspricht, so entspricht die elektronische Leitfähig keit 1/100.000 (Einheit 1/Ω), was etwa 1/1.000 der Leitfähigkeit von Sauerstoffionen darstellt. Somit ist die elektronische Leitfähigkeit gewöhnlich beinahe vernachlässigbar.
Wenn aber die einer extrem kleinen Menge entsprechende Gaskonzentration gemessen wird, liegt ein erhaltener Grenzstrom in einem Bereich von nur einigen μA vor. Die elektronische Leitfähigkeit in einer Höhe von μA stellt einen großen Fehlerfaktor dar. Beträgt z.B. die elektronische Leitfähigkeit wie oben beschrieben 1/100.000 (Einheit 1/Ω), so ergibt das Anlegen von 0,45 V an die Messpumpzelle 82 einen großen Wert des Pumpstroms Ip2 = 0,45 V × 1/100.000 (1/Ω) = 4,5 μA.
Wird die Temperatur des Sensorelements 100 geändert, und wird die elektronische Leitfähigkeit geändert, wenn sie z.B. auf die Hälfte verringert wird, so ändert sich die durch die elektronische Leitfähigkeit bewirkte Stromänderung von 4,5 μA auf 2,25 μA. Das Ausmaß der Änderung beträgt 2,25 μA, was eine 500 ppm entsprechende Änderung darstellt. Eine solche Änderung erscheint als Temperaturabhängigkeit des Offset-Werts.
Um die Temperaturabhängigkeit des Offset-Werts zu verringern, ist es erforderlich, die elektronische Leitfähigkeit der Messpumpzelle 82 so klein wie möglich zu verringern. Im Gassensor 50 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird hingegen die Temperatur am Punkt P in der Messpumpzelle 82 von 840 °C auf 700 °C gesenkt. Somit kann der Widerstand aufgrund der elektronischen Leitfähigkeit von 450 kΩ auf 4 MΩ erhöht werden. Somit kann der Offset-Wert von 1 μA auf 0,11 μA gesenkt werden.
D.h. die Temperatur des Messgases wird geändert, und die Temperaturänderung erfolgt im Sensorelement 100. Unter der Annahme, dass die elektronische Leitfähigkeit dadurch auf die Hälfte geändert wird, variiert der Offset-Wert in einem Änderungsausmaß von 0,5 μA (entspricht 100 ppm) vor der Verbesserung des Musters der Heizvorrichtung 94. Der Gassensor 50 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung durchläuft aber eine geringfügige Änderung von 0,05 μA (ent spricht 10 ppm), wodurch es möglich wird, NO_x bei einer geringen Konzentration genau zu messen.
5 zeigt eine solche Situation, in welcher die Temperatur der Heizvorrichtung 94 so geregelt ist, dass der Strom der elektronischen Leitfähigkeit 0,2 μA beträgt, wenn die Temperatur des Messgases (Gastemperatur) 800 °C beträgt. Selbst wenn die Gastemperatur von 600 °C auf 800 °C geändert wird, ändert sich der Offset-Wert nur in einem Ausmaß von 0,1 μA. Die Menge von 0,1 μA entspricht 20 ppm, wenn in Hinblick auf die Empfindlichkeit (5 μA/1.000 ppm) des Gassensors 50 umgewandelt wird. Das Ausmaß der Änderung ist hinsichtlich der Messung von einigen Hundert ppm zufriedenstellend.
In dieser Ausführungsform wird die Heizvorrichtung 94 des Gassensors 50 vorzugsweise so geregelt, dass die Impedanz der Hilfspumpzelle 90 konstant ist. Es folgt nun mit Bezug auf die 6 bis 8 eine Beschreibung eines Heizvorrichtungs-Regelsystems zur Regelung der Heizvorrichtung 94, so dass der Hilfspumpzelle 90 eine konstante Impedanz verliehen wird.
Das Heizvorrichtungs-Regelsystem umfasst eine Impedanz-Detektionsschaltung 102 und eine Heizvorrichtungs-Regelschaltung 104. Die Impedanz-Detektionsschaltung 102 ist z.B. zwischen der inneren Pumpelektrode 62 und der Hilfspumpelektrode 88 der Hauptpumpzelle 66 mit Ausnahme der Detektionselektrode 80 eingesetzt und verbunden, um die Impedanz zwischen der inneren Pumpelektrode 62 und der Hilfspumpelektrode 88 zu detektieren. Die Heizvorrichtungs-Regelschaltung 104 regelt das Anlegen von elektrischer Energie an die Heizvorrichtung 94 auf der Grundlage eines Detektionssignals, das von der Impedanz-Detektionsschaltung 102 geliefert wird.
Wie in 7 dargestellt ist, umfasst die Impedanz-Detektionsschaltung 102 eine Wechselstromerzeugungsschaltung 110, um Wechselstrom zwischen der inneren Pumpelektrode 62 und der Hilfspumpelektrode 88 zuzuführen, und eine Signaldetektionsschaltung 112, um ein Spannungssignal Vf in einer Höhe zu detektieren, die der Impedanz zwischen der inneren Pumpelektrode 62 und der Hilfspumpelektrode 88 entspricht, die zwischen den Elektroden 62, 88 entsprechend dem Wechselstrom erzeugt wird, der zwischen den Elektroden 62, 88 zugeführt wird.
Wie in 8 dargestellt ist, kann der Impedanzmessungsgegenstand, der durch die innere Pumpelektrode 62, die Hilfspumpelektrode 88 und die zweite Festelektrolytschicht 50f, die zwischen den beiden Elektroden 62, 88 angeordnet ist, gebildet wird, äquivalent durch eine Schaltung 114 dargestellt werden, in welcher ein Widerstand R und ein Kondensator C parallel verbunden sind.
Somit kann, wie dies in 8 ersichtlich ist, die Signaldetektionsschaltung 112 durch eine Filterschaltung (z.B. einen Tiefpassfilter oder einen Bandpassfilter) 116 gebildet werden, um das zwischen den Elektroden 62, 88 erzeugte Wechselstromsignal in ein Spannungssignal (hierin nachfolgend bei Bedarf einfach als "Detektionspegel" bezeichnet) Vf umzuwandeln, das der Impedanz zwischen den Elektroden 62, 88 entspricht.
Wie auch in 8 dargestellt ist, umfasst die Heizvorrichtungs-Regelschaltung 104 einen Komparator 118 mit Hysterese und einen pnp-Transistor 120. Unter der Annahme, dass der Referenzpegel E und der Totzonenpegel V_H ist, gibt der Komparator 118 mit Hysterese ein H-Pegel-Signal aus, wenn der Detektionspegel Vf des von der Filterschaltung 116 ausgegebenen Spannungssignals höher als ein positiver Schwellenpegel (E+V_H/2) ist, und er gibt ein L-Pegel-Signal aus, wenn der Detektionspegel Vf niedriger als ein negativer Schwellenpegel (E-V_H/2) ist, und er behält den vorliegenden Pegel bei, wenn der Detektionspegel Vf zwischen –V_H/2 und +V_H/2 liegt.
Der pnp-Transistor 120 weist einen Kollektoranschluss auf, mit welchem eine Energiequelle Vcc verbunden ist, einen Basisanschluss, mit welchem eine Ausgangsseite des Komparators 118 mit Hysterese verbunden ist, sowie einen Emitter-Anschluss, mit welchem ein Anschiuss Φ1 der Heizvorrichtung 94 verbunden ist. Der andere Anschluss Φ2 der Heizvorrichtung 94 ist geerdet.
Der pnp-Transistor 120 wird einer AN-Operation entsprechend des vom Komparator 118 an den Basisanschluss zugeführten L-Pegel-Signals unterzogen. Demgemäß wird der Steuerstrom von der Energiequelle Vcc zur Heizvorrichtung 94 zugeführt. Andererseits wird der pnp-Transistor 120 einer AUS-Operation entsprechend des vom Komparator 118 an den Basisanschluss zugeführten H-Pegel-Signals unterzogen. Demgemäß wird die Zufuhr von Steuerstrom zur Heizvorrichtung 94 unterbrochen.
Es ist erwünscht, dass der Frequenzbereich der durch die Wechselstromerzeugungsschaltung 110 erzeugte Wechselstromkomponente so eingestellt wird, dass er z.B. innerhalb eines Bereichs von etwa 300 kHz bis 100 kHz liegt. Optimalerweise wird der Frequenzbereich so eingestellt, dass er innerhalb eines Bereichs von 1 kHz bis 10 kHz liegt. Es ist erwünscht, dass die Spannung der Wechselstromkomponente auf eine Höhe geregelt wird, bei welcher es bei der Funktion jeder der Elektroden zu keinen Problemen kommt, z.B. auf eine Höhe von nicht mehr als 500 mV. Optimalerweise wird die Spannung mit etwa 100 bis 300 mV festgelegt.
Der Referenzpegel E, der zum Komparator 118 der Heizvorrichtungs-Regelschaltung 104 zugeführt wird, wird auf derselben Höhe wie der Detektionspegel festgelegt, der erhalten wird, wenn die Messgastemperatur im Sensorelement 100 eine vorbestimmte Temperatur (erwünschte Temperatur) ist.
Als nächstes ist der Betrieb des Heizvorrichtungs-Rregelsystems beschrieben. Die Impedanz zwischen der inneren Pumpelektrode 62 und der Hilfspumpelektrode 88 mit Ausnahme der Detektionselektrode 80 wird mithilfe der Impedanz-Detektionsschaltung 102 (siehe 6) während der Messung von NO_x als Spannungspegel detektiert. Das Anlegen von elektrischer Energie an die Heizvorrichtung 94 wird auf Grundlage des Detektionssspannungspegel mithilfe der Heizvorrichtungs-Regelschaltung 104 geregelt.
Insbesondere wenn die Gastemperatur erhöht wird, so dass sie höher als die vorbestimmte Temperatur ist, und wenn die Impedanz zwischen der inneren Pumpelektro de 62 und der Hilfspumpelektrode 88 erhöht wird, wird auch der Detektionspegel Vf des Spannungssignals, das von der Filterschaltung 116 (siehe 8) der Impedanz-Detektionsschaltung 102 ausgegeben wird, hoch. Ist der Detektionspegel Vf des Spannungssignals höher als der positive Schwellenpegel (E+V_H/2) des Komparators 118, so wird das H-Pegel-Signal zur Basiselektrode des pnp-Transistors 120 der Heizvorrichtungs-Regelschaltung 104 zugeführt, und das Anlegen von elektrischer Energie an die Heizvorrichtung 94 wird unterbrochen. Demgemäß wird die Messgastemperatur im Sensorelement 100 schrittweise gesenkt.
Andererseits wird, wenn die Gastemperatur niedriger als die vorbestimmte Temperatur wird, und wenn die Impedanz zwischen der inneren Pumpelektrode 62 und der Hilfspumpelektrode 88 gesenkt wird, der Detektionspegel Vf des von der Filterschaltung 116 ausgegebenen Spannungssignals ebenfalls niedrig. Ist der Detektionspegel Vf des Spannungssignals niedriger als der negative Schwellenpegel (E-V_H/2) des Komparators 118, so wird das L-Pegel-Signal zur Basiselektrode des pnp-Transistors 120 der Heizvorrichtungs-Regelschaltung 104 zugeführt, und das Anlegen von elektrischer Energie an die Heizvorrichtung 94 wird gestartet. Demgemäß wird die Messgastemperatur im Sensorelement 100 schrittweise erhöht. Wie oben beschrieben ist, kann die Temperatur im Sensorelement 100 dadurch konstant gehalten werden, dass das Anlegen von elektrischer Energie an die Heizvorrichtung 94 auf Grundlage des Impedanzwerts geregelt wird.
Wird das Heizvorrichtungs-Regelsystem wie oben beschrieben verwendet, so wird die Heizvorrichtung 94 so gesteuert, dass die Impedanz der Hilfspumpzelle 90 konstant ist. Alternativ dazu kann die Steuerung so erfolgen, dass die Impedanz der Messpumpzelle 82 konstant ist. In dieser alternativen Ausführungsform erfolgt die Steuerung auf eine solche Weise, dass die Impedanz zwischen den Elektroden (zwischen der Detektionselektrode 80 und der Referenzelektrode 72 in der in 2 dargestellten Ausführungsform), durch welche der Pumpstrom Ip2 fließt, konstant ist. Demgemäß beträgt, selbst wenn die Gastemperatur von 600 °C auf 800 °C geändert wird, die Änderungsbreite des Offset-Werts nicht mehr als 0,02 μA (entspricht 4 ppm). Somit ist es möglich, den Gassensor 50 mit extrem hoher Genauigkeit bereitzustellen.
In dem System, in welchem die Impedanz der Messpumpzelle 82 so geregelt wird, dass sie konstant ist, ist es möglich, den Offset-Wert so zu regeln, dass er konstant ist, selbst wenn die Temperatur des Messgases geändert wird. Somit kann der Offset-Wert leicht mithilfe der auf der Ausgabeseite durchgeführten Nulleinstellung auf Null eingestellt werden. Demgemäß ist es möglich, die Messgenauigkeit des Gassensors 50 zu verbessern. Weiters beträgt der Widerstand aufgrund der elektronischen Leitung der Messpumpzelle 82 nicht weniger als 100 kΩ. Somit ist der Gassensor 50 insofern vorteilhaft, als eine ausreichende Toleranz erhalten wird (d.h. der Offset-Wert kann so geregelt werden, dass er konstant ist), selbst wenn die Leitfähigkeit einigermaßen groß ist.
Ein Verfahren (eine Prozedur) zur Messung der elektronischen Leitfähigkeit der Messpumpzelle 82 wird nunmehr beschrieben. Die elektronische Leitfähigkeit kann bestimmt werden, indem zuerst die Gaseinbringungsöffnung des Sensorelements 100 mithilfe von Glas mit einem hohen Schmelzpunkt oder dergleichen abgedichtet wird, die vorbestimmte Pumpspannung (Messspannung Vp2) an die Messpumpzelle 82 angelegt wird, während die Zufuhr von Sauerstoff unterbrochen wird, und indem der Pumpstrom Ip2 in einem Zustand gemessen wird, in welchem im Zwischenraum (zweite Kammer) 60 kein Sauerstoff vorhanden ist.
In einem früheren Stadium der Spannungsanlegung fließt ein großer Pumpstrom Ip2, weil Sauerstoff im Zwischenraum 60 zurückbleibt. Wenn aber der Sauerstoff herausgepumpt wird, und wenn die Sauerstoffkonzentration im Zwischenraum 60 gesenkt wird, wird der Pumpstrom Ip2 verringert. Der Pumpstrom Ip2 zeigt einen konstanten Wert in einem Stadium, in welchem kein Sauerstoff im Zwischenraum 60 vorhanden ist. Der konstante Wert stellt den durch die elektronische Leitung erzeugten Strom dar.
Die elektronische Leitfähigkeit kann auch gemäß eines anderen Messverfahrens bestimmt werden, d.h. es ist ein Zustand gegeben, in welchem die Sauerstoffkonzentration des Messgases etwa Null beträgt, so z.B. etwa 1 ppm. Eine Spannung, die in einem Maß der elektromotorischen Kraft (elektromotorische Kraft der Sauerstoffkonzentrationszelle), d.h. etwa +200 mV, zwischen der Detektionselektrode 80 und der Referenzelektrode 72 der Messpumpzelle 82 vorhanden ist, wird an die Messpumpzelle 82 angelegt, um den Pumpstrom Ip2 zu messen.
Anders gesagt, beträgt der Grenzstrom der Messpumpzelle 82 z.B. 5 μA/1.000 ppm, wie dies oben beschrieben ist. Im Fall von etwa 0,1 ppm, beträgt der Grenzstrom gemäß Berechnung 1 × 5/1.000 = 0,005 μA. Ein Wert, der durch die Subtraktion des vorangegangenen Werts vom tatsächlich gemessenen Strom erhalten wird, stellt den durch die elektronische Leitung erzeugten Stromwert dar.
In diesem Fall wird, wenn das Verhältnis des zu subtrahierenden Stroms größer als der Stromwert ist, der Fehler durch die Berechnung erhöht. Somit wird in einem solchen Fall bevorzugt, die Messung durchzuführen, während die Sauerstoffkonzentration im Messgas weiter verringert wird.
Das Verfahren zur Verringerung der elektronischen Leitfähigkeit der Messpumpzelle 82 ist nicht auf das oben beschriebene Verfahren zur Verringerung der Temperatur beschränkt. Das Ziel wird erreicht, indem die Fläche der Detektionselektrode 80 verringert oder die Reinheit des ZrO₂-Materials oder dergleichen für die Bildung der Messpumpzelle 82 erhöht wird.
Wird die Fläche der Detektionselektrode 80 des Gassensors 50 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auf die Hälfte reduziert, so wird der Offset-Wert sicherlich auf die Hälfte verringert. Der Offset-Wert wird auf 0,5 μA gesenkt, indem die Reinheit des Materials für die Bildung des Substrats, einschließlich dabei der ersten und zweiten Festelektrolytschichten 50d, 50f, von 96 % auf 99 % erhöht wird, während die Temperatur so gehalten wird, dass sie normal bleibt (Temperatur, die durch die in 4 dargestellte Temperaturverteilungskurve "a" angezeigt ist).
Die Messpumpzelle 82 ist nicht auf die Sauerstoffpumpe beschränkt, die durch die Detektionselektrode 80 und die Referenzelektrode 72 für die zweite Kammer 60, wie dies in 2 dargestellt ist, gebildet wird. Alternativ dazu ist es auch zulässig, eine Sauerstoffpumpe zu verwenden, die durch die Detektionselektrode 80, eine andere Elektrode als die Referenzelektrode 72 und das Festelektrolyt gebildet wird, das zwischen den beiden Elektroden liegt. Insbesondere kann die Messpumpzelle 82 z.B. durch eine Sauerstoffpumpe gebildet werden, die aus der Detektionselektrode 80 für die zweite Kammer 60 und der inneren Pumpelektrode 62 der Hauptpumpzelle 66 besteht, eine Sauerstoffpumpe, die aus der Detektionselektrode 80 für die zweite Kammer 60 und einer äußeren Pumpelektrode 64 der Hauptpumpzelle 66 besteht, oder eine Sauerstoffpumpe, die aus der Detektionselektrode 80 für die zweite Kammer 60 und einer Elektrode besteht, die separat auf der Elementfläche auf der Abgasseite bereitgestellt ist. In diesen Anordnungen wird ein System angenommen, in welchem der Pumpstrom Ip2 zwischen der Detektionselektrode 80 und der Elektrode (der inneren Pumpelektrode 62, der äußeren Pumpelektrode 64 oder der Elektrode, die separat auf der Elementfläche auf der Abgasseite bereitgestellt ist) als der Referenzelektrode 72 fließen kann, während die elektromotorische Kraft (elektromotorische Kraft der Sauerstoffkonzentrationszelle) überwacht wird, die zwischen der Referenzelektrode 72 und der Detektionselektrode 80 erzeugt wird.
Kurz gesagt wird in jeder dieser Anordnungen die elektronische Leitfähigkeit der Pumpzelle, durch welche der zu messende Pumpstrom Ip2 fließt, in einem solchen Ausmaß reduziert, dass die elektronische Leitfähigkeit im Vergleich zum Ionenstrom, der durch die Zersetzung der zu messenden Gaskomponente erzeugt wird, vernachlässigbar ist.
Insbesondere wenn die Heizvorrichtung 94 so gesteuert wird, dass die Impedanz der Messpumpzelle 82 konstant ist, wird die Impedanz zwischen der Detektionselektrode 80 und einer anderen Elektrode (der inneren Pumpelektrode 62, der äußeren Pumpelektrode 64 oder der Elektrode, die separat auf der Elementfläche auf der Abgasseite bereitgestellt ist) als der Referenzelektrode 72, durch welche der Pumpstrom Ip2 fließt, gemessen. Das Regelsystem kann so konstruiert sein, dass die Heizvorrichtung 94 auf Grundlage der Messergebnisse gesteuert wird.
Ein Vorteil wird insofern erhalten, als der durch das System zur Steuerung der Impedanz der Messpumpzelle 82, um diese konstant zu halten, gewonnene Effekt größer ist als der Effekt, der erhalten wird, wenn die Konfiguration des Heizvorrichtungsmusters verbessert oder die Fläche der Detektionselektrode 80, wie schon zuvor beschrieben, reduziert wird.
Alternativ dazu kann, wie in 9 dargestellt, der Sauerstoff in der Atmosphäre in der zweiten Kammer 60 in die erste Kammer 58 hinausgepumpt werden, indem die Hilfspumpzelle 90 mit der Hilfspumpelektrode 88, die in der zweiten Kammer 60 bereitgestellt ist, der zweiten Festelektrolytschicht 50f und der inneren Pumpelektrode 62 der Hauptpumpzelle 66 gebildet wird.
Wie oben beschrieben wurde, wird entsprechend dem Gassensor 50 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung der Widerstand aufgrund der elektronischen Leitfähigkeit der Messpumpzelle 82 so geregelt, dass er nicht weniger als 1 MΩ beträgt. Somit ist es möglich, die elektronische Leitung zu unterdrücken, die andernfalls in der Messpumpzelle 82 erzeugt worden wäre. Demgemäß ist es möglich, den Offset-Wert zu verringern. Somit ist der Gassensor 50 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung für die Messung von NO_x bei einer geringen Konzentration extrem nützlich.
Wie oben beschrieben wurde, beträgt im Gassensor 50 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung der Widerstand der elektronischen Leitfähigkeit der Messpumpzelle 82 nicht weniger als 1 MΩ. Der Widerstand der elektronischen Leitfähigkeit beträgt aber vorzugsweise nicht weniger als 2 MΩ und insbesondere nicht weniger als 4 MΩ. Im Fall des Systems aber, in welchem die Impedanz der Messpumpzelle 82 geregelt wird, wird ein ausreichender Effekt erhalten, selbst wenn der Widerstand aufgrund der elektronischen Leitfähigkeit der Messpumpzelle 82 nicht weniger als 100 kΩ beträgt.
Die Pumpfähigkeit der Messpumpzelle 82 wird verringert, wenn die Temperatur in der unmittelbaren Umgebung der Messpumpzelle 82 gesenkt wird, oder wenn die Fläche der Detektionselektrode 80 reduziert wird, um somit die elektronische Leitung der Messpumpzelle 82 zu verringern. Die Pumpfähigkeit kann aber auch so eingestellt werden, dass sie einen Wert aufweist, der etwa das Zweifache des Grenzwerts der Pumpfähigkeit ausmacht.
Besteht z.B. die Absicht, eine Konzentration von maximal 1.000 ppm zu messen, so wird die Temperatur in der unmittelbaren Umgebung der Messpumpzelle 82 schrittweise bei einer Gaskonzentration von 2.000 ppm verringert. Die Temperatur, bei welcher die Empfindlichkeit abzunehmen beginnt, wird so eingestellt, dass sie die Grenztemperatur/Grenzfläche ist. Dadurch ist es möglich, eine Pumpe zu konstruieren, die für die Messung von 1.000 ppm über eine ausreichende Spanne verfügt.
Wird die Temperatur des Gassensors 50 geregelt, so wird die Heizvorrichtung vorzugsweise geregelt, während die Temperatur der Messpumpzelle 82 überwacht wird, und zwar aus den folgenden Gründen: Der Offset-Wert wird so geregelt, dass er konstant ist, da die elektronische Leitfähigkeit so gesteuert wird, dass sie konstant ist, selbst wenn die Temperatur des Abgases geändert wird. In diesem Fall kann ein Wechselstrom angelegt werden, um die Wechselstromimpedanz der Messpumpzelle 82 zu messen. Alternativ dazu kann eine kleine Spannung, bei welcher keine Strombegrenzung erfolgt, intermittierend an die Messpumpzelle 82 angelegt werden, um die direkte Stromimpedanz messen. In einer weiteren Alternative kann ein anderes Temperaturmessmittel in der unmittelbaren Umgebung der Messpumpzelle 82 bereitgestellt werden.
Der Gassensor 50 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zielt darauf ab, NO_x als vorbestimmte Gaskomponente zu messen. Der Gassensor der vorliegenden Erfindung kann wirksam auch für die Messung von anderen Komponenten als NO_x, so z.B. gebundenen, Sauerstoff enthaltenden Gaskomponenten wie H₂O und CO₂, verwendet werden, wobei die Messung mithilfe des im Messgas vorhandenen Sauerstoffs durchgeführt wird.
Der Gassensor der vorliegenden Erfindung kann auch für Gassensoren verwendet werden, die so konstruiert sind, dass sie mit einer Sauerstoffpumpe O₂, der z.B. mittels Elektrolyse von H₂O und CO₂ erzeugt wurde, herauspumpen, oder für Gassensoren, um H₂, der mittels Elektrolyse von H₂O unter Verwendung eines Protonenionen leitfähigen Festelektrolyts erzeugt wird, pumpzuverarbeiten.
Wie oben beschrieben wurde, ermöglicht es der Gassensor gemäß der vorliegenden Erfindung, den Offset-Wert so zu verringern, das bei der Messung keine Probleme entstehen, ohne dabei eine Reduktion von NO_x zu bewirken, und somit ist es möglich, die Messgenauigkeit für die vorbestimmte Gaskomponente zu verbessern.

Claims

Gassensor, umfassend: ein Hauptpumpenmittel (66) zum Pump-Bearbeiten von in einem Messgas enthaltenem Sauerstoff, das von einem Außenraum in einen Bearbeitungsraum (58) eingebracht wird, der von einem Festelektrolyten gebildet und unterteilt ist, welcher mit dem Außenraum in Kontakt steht, sodass ein Sauerstoffpartialdruck im Bearbeitungsraum (58) auf einen vorbestimmten Wert geregelt wird, bei dem eine vorbestimmte Gaskomponente, die im Messgas enthalten ist, nicht abbaubar ist; und ein Messpumpenmittel (82) zum Abbau einer Messgaskomponente, die im Messgas nach dem Pump-Bearbeiten durch das Hauptpumpenmittel (66) enthalten ist, mithilfe einer katalytischen Einwirkung und/oder Elektrolyse, sodass der durch den Abbau entstandene Sauerstoff einem Pumpvorgang unterzogen wird, wobei: die Messgaskomponente, die im Messgas enthalten ist, auf der Grundlage eines Pumpstroms (Ip2) messbar ist, welcher in Übereinstimmung mit dem Pumpvorgang, der vom Messpumpenmittel (82) durchgeführt wird, durch das Messpumpenmittel (82) fließen gelassen wird; und dadurch gekennzeichnet, dass das Messpumpenmittel (82) einen Widerstand der elektronischen Leitfähigkeit von nicht weniger als 1 MΩ aufweist.
Gassensor nach Anspruch 1, worin der Widerstand der elektronischen Leitfähigkeit des Messpumpenmittels (82) nicht kleiner als 2 MΩ ist.
Gassensor nach Anspruch 2, worin der Widerstand der elektronischen Leitfähigkeit des Messpumpenmittels (82) nicht kleiner als 4 MΩ ist.
Gassensor nach Anspruch 1, weiters umfassend ein Hilfspumpenmittel (90), welches den Festelektrolyten sowie eine innere Hilfspumpenelektrode (88) und eine äußere Hilfspumpenelektrode (72) beinhaltet, die in Kontakt mit dem Festelektrolyten gebildet sind, um den im Messgas nach dem Pump-Bearbeiten durch das Hauptpumpenmittel (66) enthaltenen Sauerstoff in Richtung zum Hauptpumpenmittel (66) abzupumpen.
Gassensor nach Anspruch 1, weiters umfassend eine Heizvorrichtung (94), um zumindest das Hauptpumpenmittel (66) und das Messpumpenmittel (82) auf vorbestimmte Temperaturen zu erwärmen; und ein Heizsteuermittel (104) zum Steuern der elektrischen Leistung der Heizvorrichtung (94), sodass die Temperatur in der Nähe des Messpumpenmittels (82) konstant ist.
Gassensor, umfassend: ein Hauptpumpenmittel (66) zum Pump-Bearbeiten von in einem Messgas enthaltenem Sauerstoff, das von einem Außenraum in einen Bearbeitungsraum (58) eingebracht wird, der von einem Festelektrolyten gebildet und unterteilt ist, welcher in Kontakt mit dem Außenraum steht, sodass ein Sauerstoffpartialdruck im Bearbeitungsraum (58) auf einen vorbestimmten Wert geregelt wird, bei dem eine vorbestimmte Gaskomponente, die im Messgas enthalten ist, nicht abbaubar ist; und ein Messpumpenmittel (82) zum Abbau einer Messgaskomponente, die im Messgas nach dem Pump-Bearbeiten durch das Hauptpumpenmittel (66) enthalten ist, mithilfe einer katalytischen Einwirkung und/oder Elektrolyse, sodass der durch den Abbau entstandene Sauerstoff einem Pumpvorgang unterzogen wird, worin: die Messgaskomponente, die im Messgas enthalten ist, auf der Grundlage eines Pumpstroms (Ip2) gemessen wird, welcher in Übereinstimmung mit dem Pumpvor gang, der vom Messpumpenmittel (82) durchgeführt wird, durch das Messpumpenmittel (82) fließen gelassen wird, wobei der Gassensor zudem Folgendes umfasst: eine Heizvorrichtung (94), um zumindest das Hauptpumpenmittel (66) und das Messpumpenmittel (82) auf vorbestimmte Temperaturen zu erwärmen, und ein Heizsteuermittel (104) zum Steuern der elektrischen Leistung der Heizvorrichtung (94), sodass das Messpumpenmittel (82) eine konstante Impedanz aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass: das Messpumpenmittel (82) einen Widerstand der elektronischen Leitfähigkeit von nicht weniger als 100 kΩ aufweist.
Gassensor nach Anspruch 6, weiters umfassend ein Hilfspumpenmittel (90), welches den Festelektrolyten sowie eine innere Hilfspumpenelektrode (88) und eine äußere Hilfspumpenelektrode (72) beinhaltet, die in Kontakt mit dem Festelektrolyten gebildet sind, um den im Messgas nach dem Pump-Bearbeiten durch das Hauptpumpenmittel (66) enthaltenen Sauerstoff in Richtung zum Hauptpumpenmittel (66) abzupumpen.
Verwendung des Gassensors nach einem der Ansprüche 1 bis 7, worin die gemessene Gaskomponente NO_x und die vorbestimmte Gaskomponente NO ist.