EP2269047A1 - Beheizte sprungsonde mit vereinfachter elektrischer kontaktierung - Google Patents

Beheizte sprungsonde mit vereinfachter elektrischer kontaktierung

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Publication number
EP2269047A1
EP2269047A1 EP09731958A EP09731958A EP2269047A1 EP 2269047 A1 EP2269047 A1 EP 2269047A1 EP 09731958 A EP09731958 A EP 09731958A EP 09731958 A EP09731958 A EP 09731958A EP 2269047 A1 EP2269047 A1 EP 2269047A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
heating
electrode
sensor element
gas
sensor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP09731958A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Lothar Diehl
Thomas Seiler
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP2269047A1 publication Critical patent/EP2269047A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403—Cells and electrode assemblies
    • G01N27/406—Cells and probes with solid electrolytes
    • G01N27/4067—Means for heating or controlling the temperature of the solid electrolyte

Definitions

  • the invention is based on known sensor elements which are based on electrolytic properties of certain solids, ie the ability of these solids to conduct certain ions.
  • sensor elements are used in particular in motor vehicles to measure Lxift fuel gas mixture compositions, in which case these sensor elements are also known as "lambda probe" and an essential role in the reduction of pollutants in exhaust gases, both in gasoline engines and in the Diesel technology, play.
  • Such sensor elements are now known in numerous different embodiments.
  • One embodiment is the so-called "jump probe” whose measuring principle is based on the measurement of an electrochemical potential difference between a reference electrode exposed to a reference gas and a measuring electrode exposed to the gas mixture to be measured conductive properties usually doped zirconia (eg yttrium-stabilized ZrO2) or similar ceramics can be used as a solid electrolyte.
  • doped zirconia eg yttrium-stabilized ZrO2
  • Various Ausflihrungsbeiitul such jump probes, which are also referred to as "Nernst cells” are described for example in Robert Bosch GmbH: Sensors in the motor vehicle, 1st edition 2001, pp. 112-115.
  • so-called "pump cells” are used in which an electrical “pumping voltage” is applied to two electrodes connected via the solid electrolyte, whereby the “pumping current” is measured by the pump cell
  • one of the two electrodes (usually via a permeable protective layer) is exposed directly to the gas mixture to be measured, however, the second of the two electrodes is designed such that the gas mixture does not flow directly towards it
  • This electrode may pass, but must first penetrate a so-called “diffusion barrier” to get into a cavity adjacent to this second electrode.
  • a porous ceramic structure with specifically adjustable pore radii is used as the diffusion barrier.
  • the sensor elements are usually operated in the so-called limiting current operation, that is, in an operation in which the pumping voltage is selected such that the oxygen entering through the diffusion barrier is completely pumped to the counterelectrode.
  • the pumping current is approximately proportional to the partial pressure of the oxygen in the exhaust gas mixture, so that such sensor elements are often referred to as proportional sensors.
  • proportional sensors can be used as so-called broadband sensors over a comparatively wide range for the air number Lamb da.
  • the sensor principles described above are also combined so that the sensor elements contain one or more sensors operating according to the jump sensor principle ("cells”) and one or more proportional sensors. widen the above-described principle of working according to the pumping cell principle "unicellular” by adding a snap cell (Nernst cell) to a "double cell” expand.
  • a snap cell Nelnst cell
  • DE 10 2005 003 813 A1 describes a sensor element in which the measurement of the Nernst voltage is carried out relative to a vehicle mass when the reference electrode is connected to the ground.
  • the jump probe can be operated such that a heater supply is performed via the same cable as one of the two terminals of the Nernst cell, wherein the signal is evaluated clocked. This allows the operation of a heated jump probe with three cables or connections.
  • the sensor element shown in DE 10 2005 003 813 A1 there is still a need for further savings in order to further reduce the costs of the sensor elements.
  • a basic idea of the present invention is to operate the readout of the secondary voltage and the probe heating via the same, preferably single, inlet skable and to carry out the heating or reading relative to a mass, in particular a vehicle mass. Accordingly, the invention proposes a sensor element as well as a sensor arrangement comprising the sensor element which measures the number of sensor elements Contacts, by means of which the sensor element must be contacted, in particular the number of cables and / or leads, can be significantly reduced, to a single cable.
  • the sensor element serves to determine at least one physical property of a gas in a measuring gas space.
  • the sensor element can be designed to determine a concentration and / or a partial pressure of a gas component in a gas in the measurement gas space, in particular an oxygen concentration or an oxygen partial pressure.
  • the sensor element can be used in the exhaust gas of an internal combustion engine.
  • to be detected gas components and purposes are conceivable, for example, with reference to the above description of the prior art.
  • the sensor element has at least one first electrode, at least one second electrode and at least one solid electrolyte connecting the first electrode and the second electrode.
  • the solid electrolyte may, for example, be an oxygen ion-conducting solid electrolyte, for example yttrium-stabilized zirconium dioxide (YSZ). However, other solid electrolyte materials can be used.
  • the electrodes may comprise, for example, cermet electrodes, for example platinum cermet electrodes.
  • the at least two electrodes and the solid electrolyte can form a Nernst cell.
  • the sensor element has at least one heating element.
  • This heating element may comprise, for example, a meandering path of heating resistors.
  • the heating element can in particular be configured to heat the sensing element to an optimal operating temperature, for example, a temperature between 500 0 C and 800 0 C.
  • the heating element has at least two heater contacts on. At least one first heating contact of these heating contacts and the first electrode can be contacted via a common connection line.
  • This common connection line is preferably integrated in a ceramic layer structure of the sensor element, so that it can be contacted by means of a single external connection. At least a second heating contact of the heating contacts and the second electrode are connected to a common ground line.
  • This common ground line can for example be completely integrated into the ceramic layer structure and can be contacted, for example, with a housing of the sensor element, such as a metallic housing, so that an external Maisie tion of this mass Ie tion by a contact or a cable is not required.
  • a housing of the sensor element such as a metallic housing
  • the heating element in particular one or more heating meanders of the heating element, is preferably connected in parallel to the nominal cell. In this way, leads can be saved, so that the sensor element can finally be operated with only one supply line.
  • the first electrode is preferably in communication with the measurement gas space, for example directly or via a gas-permeable protective layer, for example porous aluminum oxide.
  • the second electrode is preferably in communication with a reference gas space separated from the measurement gas space.
  • the first electrode and the second electrode, together with the solid electrolyte form a Nernst cell in which the potential of the first electrode is compared with the potential of the second electrode in the reference gas space.
  • the reference gas may comprise a reference gas channel connected to a working environment.
  • the work environment may include an engine compartment in which air is under normal conditions.
  • other embodiments of the reference gas space are possible.
  • a closed reference gas space can be used, that is to say a reference gas which is not or not significantly charged with gas from the measuring gas space and / or a working environment.
  • a reference atmosphere within the closed reference gas space can be maintained or brought about by spatially operating this reference gas as a "pumped reference”, as is known, for example, from the prior art described at the outset
  • At least one series resistor for example an ohmic series resistor, is provided between the first electrode and the common connection line.
  • This series resistor can be completely integrated in the ceramic sensor element, for example in a layer structure of this sensor element. Alternatively or additionally, however, an embodiment of the series resistor outside the layer structure is also conceivable in principle. - -
  • the heating element to the Nernst cell and the series resistor is connected in parallel.
  • the series resistor serves to prevent damage to the Nernst cell in this parallel circuit, in particular in the case of clocked operation of the sensor element, as described in more detail below.
  • the Nernst cell which comprises the first electrode, the solid electrolyte and the second electrode, preferably has a Nernst cell resistance.
  • the series resistor is preferably selected in this case such that during operation of the sensor element, that is to say, for example, see operating temperatures of the sensor element, it has 2 to 10 times the magnitude, preferably approximately 6 times, the Nernst cell resistance.
  • the additional series resistor can be completely dispensed with the additional series resistor, especially if the ohmic resistance of the Nernst cell itself is designed to be sufficiently large. This can be achieved for example via a sufficient thickness of the solid electrolyte, for example of the ZrCV material, and / or by its composition.
  • the resistance should be chosen to be at least so great that, in particular after reaching the operating temperature, a sufficiently large proportion of the heating voltage across the solid electrolyte, for example the ZrCV ceramic, drops and only so little at the interface between the solid electrolyte and the electrode or electrodes Damage occurs.
  • a sensor arrangement for determining at least one physical property of a gas in a measurement gas space which comprises at least one sensor element according to one or more of the embodiments described above.
  • the sensor arrangement comprises at least one control which, for example, can be completely or partially integrated in an engine control unit of a motor vehicle.
  • the controller can be set up to carry out the method described below for operating the sensor element, so that, in addition to the described controller and the sensor arrangement, such an operating method for operating the sensor element is proposed according to the invention.
  • the control can, for example, be wholly or partly by means of a data processing device can be carried out and can include corresponding program-technical steps, which are implemented for example by means of a suitable computer program.
  • the controller is set up to connect the connecting cable optionally to an electrical energy source or a measuring device.
  • an electrical energy source may include, for example, a voltage and / or current source.
  • the controller may be configured to connect the connection line to an electrical positive pole of the electrical energy source.
  • the measuring device may in particular comprise an electrical measuring device, in particular a voltage measuring device and / or a pulse measuring device.
  • the control is preferably configured separately from this layer structure.
  • the controller may be connected to the sensor element, for example, via one or more connection lines or cables.
  • connection lines or cables As described above, preferably only a single cable is used to connect the controller to the connecting line, whereas the ground line is connected to a ground of the sensor element.
  • This mass which may comprise, for example, a sensor housing may be connected, for example, with an engine block or the mass of a motor vehicle.
  • the controller is set up such that in at least one heating phase the connecting line is connected to the electrical energy source and in at least one measuring phase with the measuring device.
  • the controller can be set up to close at least one signal of the measuring device on the physical property of the gas, in particular on an oxygen concentration or an oxygen partial pressure.
  • This evaluation process can be performed absolutely by correlating the absolute signal of the measuring device, for example analytically, empirically or semiempirically, with the physical property, for example via corresponding evaluation functions, tables, correlation curves or the like.
  • the evaluation is thus a digital evaluation which, instead of an absolute measured value, only supplies a fat / mag er information.
  • the sensor element is operated in a clocked manner.
  • the reading of the Nernst voltage is preferably carried out in a time between two heating cycles. Accordingly, it is possible to alternately switch back and forth between heating phases and measuring phases. In this case, for example, the heating phases can be made longer than the measuring phases. Variable temporal lengths of the phases are conceivable, for example in the context of pulse width modulation.
  • the controller can be set up to operate the heating element with alternating electrical polarity in successive heating phases.
  • a sensor element and a sensor arrangement can be produced which are extremely simple in construction and which at the same time nevertheless provide a reliable and controllable reference for a measurement of the Nernst potential.
  • FIG. 1 shows an embodiment of a sensor arrangement according to the invention with a single supply line and a reference air channel.
  • 1 shows an exemplary embodiment of a sensor arrangement 110 according to the invention.
  • the sensor arrangement 110 comprises a sensor element 112 and a controller 114, which are connected to one another via a single feed line 116.
  • the sensor element 112 comprises a housing 118 indicated symbolically in FIG. 1, which may be connected, for example, to a mass 120 of a motor vehicle.
  • the actual active sensor element is integrated as a ceramic layer structure 122.
  • Robert Bosch GmbH "Sensors in the Motor Vehicle", 1st edition, 2001, pages 112 to 115.
  • the sensor element 112 or the ceramic layer structure 122 comprise a first electrode 124, a solid electrolyte 126 and a second electrode 128. While the first electrode 124 is in communication with a measurement gas space 130, for example an exhaust tract of an internal combustion engine, in which an oxygen concentration or an oxygen partial pressure is to be determined, the second electrode 128 is arranged in a reference gas space 132.
  • a measurement gas space 130 for example an exhaust tract of an internal combustion engine, in which an oxygen concentration or an oxygen partial pressure is to be determined
  • the second electrode 128 is arranged in a reference gas space 132.
  • this reference gas chamber 132 is part of a reference air channel 134, via which the reference gas 132 is in communication, for example, with an engine compartment which is separate from the sample gas chamber 130.
  • the reference air channel 134 may, for example, be designed as an open channel or as a reference air channel filled with a gas-permeable, porous medium (for example an open-pored aluminum oxide).
  • a gas-permeable, porous medium for example an open-pored aluminum oxide
  • the sensor element 112 comprises a heating element 136 in the exemplary embodiment shown in FIG. 1.
  • This heating element 136 serves to regulate the sensor element 112 to an optimum operating temperature, for example to set an oxygen ion conductivity of the solid electrolyte 126 and to ensure sufficient robustness against pollutants from the exhaust gas sure.
  • a gas-permeable protective layer for example, an open-pore alumina layer, which is not shown in Figure 1
  • the Nernst cell 138 thus has a first Nernst cell Feed line 140, which is arranged for example as a conductor on the upper side of the ceramic layer structure 122 and which contacts the first electrode 124, and a second Nernstzellen supply line 142, which is arranged for example in the reference air channel 134 and which contacts the second electrode 128.
  • the heating element 136 which is designed for example as Bankzeander or, for example, at least one Walkermäander comprehensive stas, via a first heating contact 144 and a second heating contact 146.
  • the heating contacts 144, 146 and the Nernstzellen supply lines 140, 142 may, for example, as a printed conductive Webs be implemented in the layer structure 122 and may include additional, not shown in Figure 1 insulation layers.
  • the second Nernst cell feed line which contacts the second electrode 128 functioning as a reference electrode, and the second heating contact 146 are connected to a common ground line 148.
  • This combination of the lines 142 and 146 can still take place within the layer structure 122 or can also take place outside of this layer structure, but within the housing 118.
  • a summary within the layer structure is possible, for example, by using corresponding plated-through holes.
  • a summary of the common mass Ie tion 148 outside the ceramic layer structure 122 is indicated symbolically in FIG.
  • the ground line 148 may be connected, for example, to the ground 120, which in turn may in turn be connected to the housing 118, for example.
  • a series resistor 150 is integrated in the first Nernstzellen supply line 140.
  • This series resistor 150 may for example be part of the ceramic layer structure 122 or, alternatively or additionally and as shown in FIG. 1, may also be realized outside of the ceramic layer structure 122.
  • Ohmic resistances can be produced, for example, by appropriate printed layers, for example by ceramic printed layers or similar materials.
  • a distribution of the series resistor 150 to a plurality of partial resistors, which may be connected in series, for example, is also conceivable.
  • the resistance of the Nernst cell 138 can be selected to be sufficiently large, for example by selecting a suitable geometry and / or by selecting a suitable material composition and / or by a suitable operating temperature.
  • the first Nernst cell feed line 140 and the first heating contact 144 are connected to a common connecting line 152.
  • This connection of the lines 140, 144 to the common connection line 152 can, for example, again take place within the ceramic layer structure 122, for example, again by using corresponding plated-through holes.
  • the series resistor 150 is preferably part of the ceramic layer structure 122.
  • the connection to the common connection line 152 can also take place outside of the ceramic layer structure 122, as indicated in FIG.
  • the sensor element 112 thus has in the embodiment shown in Figure 1 only a single terminal contact, which is symbolically denoted by the reference numeral 154 and which is connected to the connecting line 152.
  • the connection contact 154 may in turn be connected to the supply line 116, which connects the sensor element 112 to the controller 114.
  • a switch 156 is provided, via which the common connection line 152 can be connected optionally to an electrical energy source 158 or to a measuring device 160.
  • the switch 156 may be, for example, a switch controlled by an electronic control device, such as a microcontroller.
  • the electric power source 158 may include, for example, a voltage source, for example, a voltage source with a constant voltage of about 11 V, via the switch 156, the connecting line 152, for example, with a positive pole of this Sp annungs source is connectable.
  • the measuring device 160 may include, for example, a voltage measuring device, which is symbolically indicated in FIG. For example, the voltage across a Me ss resistance (not shown in Figure 1) can be measured.
  • the measuring device 160 may, for example, be connected to a mass 120 on its side opposite the switch 156.
  • the reference electrode lies on zirconium oxide and is located in the reference air channel 134 or is pumped as te reference operated.
  • the heating element 136 has two separate connections. Overall, the sensor element must therefore be contacted with four contacts or connections.
  • the sensor element 112 according to the invention in FIG. 1 is designed in such a way that it can be contacted exclusively with the single supply line 116.
  • the heater circuit of the heating element 136 has only a single connecting cable, and the current flows from the positive pole of the power source 158 via the heating element 136 to the vehicle mass 120.
  • Parallel to the heating meander of the heating element 136, the Nernst cell 138 and connected in series with the series resistor 150 is connected.
  • the heating meander of the heating element 136 is designed as high as possible, for example, with a heating resistor of 30 ohms.
  • a heating power of approximately 3.8 W can be fed into the heating element 136, of which the highest possible through low-resistance design of the supply line (that is, the lines 144, 146, 148 and 116) Share on the meander, so the actual heating resistor, the heating element 136 should drop.
  • the Nernst cell 138 has a Nernst cell resistance and the heating element 136 has a heater resistance.
  • Heater resistance and Nernst cell resistance are selected such that at least approximately (i.e., with a deviation of not more than 20%) at the operating temperature, the heater resistance is one fifth of the Nernst cell resistance, plus the resistance of the optional series resistor 150.
  • the activation of the sensor arrangement 110 should take place in clocked fashion by means of the control 114.
  • the switch 156 clocked back and forth, so that, for example, in each heating phase, the switch 156 is in the position shown in Figure 1, whereas in measuring phases, the switch 156 is connected such that the supply line. 1 16 is connected to the measuring device 160.
  • the heating and measuring phases can be designed to be the same or the same length.
  • a variable embodiment is also possible, for example in the form of a merely on-demand interposition of one or more measuring phases between one or more longer heating phases.
  • a high duty cycle ie a high ratio between the heating phases and the measuring phases, is preferably selected for a clocked circuit.
  • duty cycles between 20% and 50% can be selected.
  • the housing 118 may be configured as a protective tube, which may be made closed.
  • the Nernst cell 138 should have the lowest possible DC resistance when using the series resistor 150, for example, a maximum of 20 ohms.
  • the series resistor 150 of the Nernst cell 138 should be about six times as large as the Nernst cell resistance of the Nernst cell 138, that is, for example, 120 ohms.
  • approximately 11 V thus drops over the heating meander of the heating element 136. Due to the parallel connection according to the invention, the same voltage drops across the Nernst cell 138 and the series resistor 150.
  • this reference air channel 134 should be equipped with a high storage volume and / or a high limit current Alternatively or additionally, in a further embodiment
  • the heating element 136 can be operated by appropriate design of the electrical energy source 158 and / or by an additional polarity reversal switch in the controller 114 such that the heating element 136 is acted upon by an alternating polarity
  • the positive polarity is applied to the heating element 136 for a longer period of time to slightly “inflate" the reference gas 132, that is, to pressurize it with an increased oxygen partial pressure.
  • the interference voltages possibly applied to the vehicle mass 120 are typically up to approximately 50 mV. Application-specific, this value must be secured. If this value of the interference voltages comes within the range of the voltages to be measured by means of the device 160, the resistance values described above, in particular the value of the series resistor 150, must be dimensioned differently.
  • the internal resistance of the Nernst cell 138 is 140 ⁇ . Then arise at least approximately the same voltages as in the embodiment described above with series resistor 150th
  • the sensor element 112 is designed as a sensor element with reference air channel 134.
  • a pumped reference may be used.
  • the polarity of the Nernst cell 138 may be such that the reference gas space 132 is inflated with oxygen during the heating phases in which, for example, 1.5 V can be applied to the Nernst cell 138.
  • the first electrode 124 or an additional pumping electrode, which is used for filling the reference gas space 132 should be operated as an anode, ie should be connected to a negative pole of a pumping voltage source.

Abstract

Die Erfindung betrifft einSensorelement (112) zur Bestimmung mindestens einer physikalischen Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum (130), insbesondere zur Bestimmung einer Sauerstoffkonzentration im Abgas einer Brennkraftmaschine. Das Sensorelement (112) weist mindestens zwei Elektrode (124, 128) und mindestens einen die Elektroden (124, 128) verbindenden Festelektrolyten (126) auf. Das Sensorelement (112) weist weiterhin mindestens ein Heizelement (136) mit mindestens zwei Heizkontakten (144, 146) auf, wobei mindestens ein erster Heizkontakt (144) der Heizkontakte (144, 146) und eine erste Elektrode (124) der Elektroden (124, 128) über eine gemeinsame Anschlussleitung (152) kontaktierbar sind und wobei mindestens ein zweiter Heizkontakt (146) der Heizkontakte (144, 146) und eine zweite Elektrode (128) der Elektroden (124, 128) mit einer gemeinsamen Masseleitung (148) verbunden sind.

Description

Beschreibung
Titel
Beheizte Sprungsonde mit vereinfachter elektrischer Kontaktierung
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von bekannten Sensorelementen, welche auf elektrolytischen Eigenschaften bestimmter Festkörper beruhen, also der Fähigkeit dieser Festkörper, bestimmte Ionen zu leiten. Derartige Sensorelemente werden insbesondere in Kraftfahrzeugen eingesetzt, um Lxift-Kraftstoff-Gasgemischzusammensetzungen zu messen, in welchem Fall diese Sensorelemente auch unter der Bezeichnung „Lambdasonde" bekannt sind und eine wesentliche Rolle bei der Reduzierung von Schadstoffen in Abgasen, sowohl in Ottomotoren als auch in der Dieseltechnologie, spielen.
Mit der so genannten Luftzahl „Lambda" (λ) wird dabei allgemein in der Verbrennungstechnik das Verhältnis zwischen einer tatsächlich angebotenen Luftmasse und einer für die Verbrennung theoretisch benötigten (d.h. stöchiometrischen) Luftmasse bezeichnet. Die Luftzahl wird dabei mittels eines oder mehrerer Sensorelemente zumeist an einer oder mehreren Stellen im Abgastrakt eines Verbrennungsmotors gemessen. Entsprechend weisen „fette" Gasgemische (d.h. Gasgemische mit einem Kraftstoffüberschuss) eine Luftzahl λ < 1 auf, wohingegen „magere" Gasgemische (d.h. Gasgemische mit einem Kraftstoffunterschuss) eine Luftzahl λ > 1 aufwei- sen. Neben der Kraftfahrzeugtechnik werden derartige und ähnliche Sensorelemente auch in anderen Bereichen der Technik (insbesondere der Verbrennungstechnik) eingesetzt, beispielsweise in der Luftfahrttechnik oder bei der Regelung von Brennern, z.B. in Heizanlagen oder Kraftwerken.
Derartige Sensorelemente sind mittlerweile in zahlreichen verschiedenen Ausfuhrungsformen bekannt. Eine Aus führungs form ist die so genannte „Sprungsonde", deren Messprinzip auf der Messung einer elektrochemischen Potentialdifferenz zwischen einer einem Referenzgas ausgesetzten Referenzelektrode und einer dem zu messenden Gasgemisch ausgesetzten Messelektrode beruht. Referenzelektrode und Messelektrode sind über den Festelektrolyten miteinander verbunden, wobei aufgrund seiner Sauerstoffionen-leitenden Eigenschaften in der Regel dotier- tes Zirkondioxid (z.B. Yttrium-stabilisiertes ZrÜ2) oder ähnliche Keramiken als Festelektrolyt eingesetzt werden. Theoretisch weist die Potentialdifferenz zwischen den Elektroden gerade beim Übergang zwischen fettem Gasgemisch und magerem Gasgemisch einen charakteristischen Sprung auf, welcher genutzt werden kann, um die Gasgemischzusammensetzung um den Sprungpunkt λ = 1 aktiv zu regeln. Verschiedene Ausflihrungsbeispiele derartiger Sprungsonden, welche auch als „Nernst-Zellen" bezeichnet werden, sind beispielsweise in Robert Bosch GmbH: Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Ausgabe 2001, S. 112-115 beschrieben.
Alternativ oder zusätzlich zu Sprungsonden kommen auch so genannte „Pumpzellen" zum Einsatz, bei denen eine elektrische „Pumpspannung" an zwei über den Festelektrolyten verbundene Elektroden angelegt wird, wobei der „Pumpstrom" durch die Pumpzelle gemessen wird. Im Unterschied zum Prinzip der Sprungsonden stehen bei Pumpzellen in der Regelbeide Elektroden mit dem zu messenden Gasgemisch in Verbindung. Dabei ist eine der beiden Elektroden (zumeist über eine durchlässige Schutzschicht) unmittelbar dem zu messenden Gasgemisch ausgesetzt. Die zweite der beiden Elektroden ist jedoch derart ausgebildet, dass das Gasgemisch nicht unmittelbar zu dieser Elektrode gelangen kann, sondern zunächst eine so genannte „Diffus ionsbarriere" durchdringen muss, um in einen an diese zweite Elektrode angrenzenden Hohlraum zu gelangen. Als Diffus ionsbarriere wird dabei zumeist eine poröse keramische Struk- tur mit gezielt einstellbaren Porenradien verwendet. Tritt mageres Abgas durch diese Diffusionsbarriere hindurch in den Hohlraum ein, so werden mittels der Pumpspannung Sauerstoffmoleküle an der zweiten, negativen Elektrode elektrochemisch zu Sauerstoffionen reduziert, durch den Festelektrolyten zur ersten, positiven Elektrode transportiert und dort als freier Sauerstoff wieder abgegeben. Die Sensorelemente werden zumeist im so genannten Grenzstrombetrieb betrieben, das heißt in einem Betrieb, bei welchem die Pumpspannung derart gewählt wird, dass der durch die Diffus ionsbarriere eintretende Sauerstoff vollständig zur Gegenelektrode gepumpt wird. In diesem Betrieb ist der Pumpstrom näherungs weise proportional zum Partial- druck des Sauerstoffs im Abgasgemisch, so dass derartige Sensorelemente häufig auch als Proportionalsensoren bezeichnet werden. Im Gegensatz zu Sprungsensoren lassen sich derar- tige Proportionalsensoren als so genannte Breitbandsensoren über einen vergleichsweise weiten Bereich für die Luftzahl Lamb da einsetzen.
In vielen Sensorelementen werden die oben beschriebenen Sensorprinzipien auch kombiniert, so dass die Sensorelemente ein oder mehrere nach dem Sprungsensor-Prinzip arbeitende Sen- soren („Zellen") und ein oder mehrere Proportionalsensoren enthalten. So lässt sich beispie Is- weise das oben beschriebene Prinzip eines nach dem Pumpzellen-Prinzip arbeitenden „Einzellers" durch Hinzufügen einer Sprungzelle (Nernstzelle) zu einem „Doppelzeller" erweitern. Ein derartiger Aufbau ist beispielsweise in EP 0 678 740 Bl beschrieben. Dabei wird mittels einer Nernstzelle der Sauerstoffpartialdruck in dem oben beschriebenen, an die zweite Elektrode an- grenzenden Hohlraum gemessen und die Pumpspannung durch eine Regelung zumeist so nachgefühlt, dass im Hohlraum stets die Bedingung λ = 1 herrscht. Auch andere Regelungen sind denkbar. Weitere Beispiele derartiger Sensorelemente sind in Robert Bosch GmbH: „Sensoren im Kraftfahrzeug", 2001, S. 116-117 beschrieben.
Insbesondere bei Sprungsonden aber auch bei anderen Arten von Sensorelementen, bei welchen das Potential einer abgasseitigen Elektrode relativ zu einer sauerstoffbespülten Referenzelektrode gemessen wird, werden in der Regel allein für diese Messung zwei Ans chlus sie itun- gen für das Sensorelement benötigt. Zusätzlich werden in der Regel zwei weitere Anschlussleitungen für die Beheizung verwendet, so dass in Summe häufig vier Kabel benötigt werden. Ein Betrieb der Sensorelemente ohne Heizelement kommt in vielen Fällen nicht in Frage, da unbe- heizte Sonden in manchen Fahrtzuständen zu kalt sind, um verwertbare Signale zu liefern. Die Anzahl der Anschlussleitungen bzw. Kabei des Sensorelements ist jedoch für den Preis der Sensorelemente ein wesentlicher Faktor. Es bestehen daher Bestrebungen, die Anzahl der An- schlusskontakte zu reduzieren. So beschreibt DE 10 2005 003 813 Al beispielsweise ein Sen- sorelement, bei welchem die Messung der Nernst-Spannung relativ zu einer Fahrzeugmasse durchgeführt wird, wenn die Referenzelektrode mit der Masse verbunden ist. Dabei kann die Sprungsonde derart betrieben werden, dass eine Heizerversorgung über dasselbe Kabel geführt wird wie einer der beiden Anschlüsse der Nernstzelle, wobei das Signal getaktet ausgewertet wird. Dies ermöglicht den Betrieb einer beheizten Sprungsonde mit drei Kabeln bzw. Anschlüs- sen. Nach wie vor besteht jedoch, auch bei dem in DE 10 2005 003 813 Al dargestellten Sensorelement, ein Bedarf für weitere Einsparungen, um die Kosten der Sensorelemente weiter zu verringern.
Offenbarung der Erfindung
Ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, das Auslesen derNernstspannung und die Sondenbeheizung über dasselbe, vorzugsweise einzige, Ans chlus skabel zu betreiben und die Beheizung bzw. das Auslesen relativ zu einer Masse, insbesondere einer Fahrzeug- Masse durchzuführen. Dementsprechend werden erfindungsgemäß ein Sensorelement sowie eine das Sensorelement umfassende Sensoranordnung vorgeschlagen, welche die Anzahl der Kontakte, mittels derer das Sensorelement kontaktiert werden muss, insbesondere die Anzahl der Kabel und/oder Zuleitungen, erheblich reduziert werden kann, bis hin zu einem einzigen Kabel.
Das Sensorelement dient der Bestimmung mindestens einer physikalischen Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum. Insbesondere kann das Sensorelement ausgestaltet sein, um eine Konzentration und/oder einen Partialdruck einer Gaskomponente in einem Gas in dem Messgasraum zu bestimmen, insbesondere einer Sauerstoθkonzentration bzw. einen Sauer- stoffpartialdruck. Besonders bevorzugt ist das Sensorelement einsetzbar im Abgas einer Brenn- kraftmaschine. Auch andere Ausgestaltungen, nachzuweisende Gaskomponenten und Einsatzzwecke sind jedoch denkbar, wobei beispielsweise auf die obige Beschreibung des Standes der Technik verwiesen werden kann.
Das Sensorelement weist mindestens eine erste Elektrode, mindestens eine zweite Elektrode und mindestens einen die erste Elektrode und die zweite Elektrode verbindenden Festelektrolyten auf. Der Festelektrolyt kann beispielsweise ein Sauerstoffionen-leitender Festelektrolyt sein, beispielsweise Yttrium-stabilisiertes Zirkondioxid (YSZ). Auch andere Festelektrolytmaterialien sind jedoch einsetzbar. Die Elektroden können beispielsweise Cermet-Elektroden umfassen, beispielsweise Platin-Cermet-Elektroden. Die mindestens zwei Elektroden und der Festelektrolyt können dabei eine Nernstzelle bilden.
Weiterhin weist das Sensorelement mindestens ein Heizelement auf. Dieses Heizelement kann beispielsweise eine mäanderförmige Bahn von Heizwiderständen umfassen. Das Heizelement kann insbesondere ausgestaltet sein, um das Sensorelement auf eine optimale Betriebstemperatur aufzuheizen, beispielsweise eine Temperatur zwischen 500 0C und 800 0C. Das Heizelement weist mindestens zwei Heizkontakte auf. Mindestens ein erster Heizkontakt dieser Heizkontakte und die erste Elektrode sind über eine gemeinsame Anschlussleitung kontaktierbar. Diese gemeinsame Anschlussleitung ist vorzugsweise in einem keramischen Schichtaufbau des Sensorelements integriert, so dass diese mittels eines einzigen externen Anschlusses kontaktiert werden kann. Mindestens ein zweiter Heizkontakt der Heizkontakte und die zweite Elektrode sind mit einer gemeinsamen Masseleitung verbunden. Auch diese gemeinsame Masseleitung kann beispielsweise vollständig in dem keramischen Schichtaufbau integriert sein und kann beispielsweise mit einem Gehäuse des Sensorelements, beispielsweise einem metallischen Gehäuse, kontaktiert werden, so dass eine externe Kontaktie rung dieser Masse Ie itung durch einen Kontakt bzw. ein Kabel nicht erforderlich ist. Eine derartige externe Kontaktierung ist jedoch ebenfalls möglich. Im Gegensatz zum Stand der Technik ist also vorzugsweise das Heizelement, insbesondere ein oder mehrere Heizmäander des Heizelements, zurNernstzelle parallel geschaltet. Hierdurch lassen sich Zuleitungen einsparen, so dass das Sensorelement letzt- endlich mit lediglich einer Zuleitung betrieben werden kann.
Vorzugsweise steht die erste Elektrode mit dem Messgasraum in Verbindung, beispielsweise direkt oder über eine gasdurchlässige Schutzschicht, beispielsweise poröses Aluminiumoxid. Die zweite Elektrode steht vorzugsweise mit einem von dem Messgasraum getrennten Refe- renzgasraum in Verbindung. Auf diese Weise können die erste Elektrode und die zweite Elektrode, gemeinsam mit dem Festelektrolyten, eine Nernstzelle bilden, bei welcher das Potential der ersten Elektrode mit dem Potential der zweiten Elektrode in dem Referenzgasraum verglichen wird. Dabei kann der Referenzgas räum beispielsweise einen mit einer Arbeitsumgebung verbundenen Referenzgaskanal umfassen. Beispielsweise kann die Arbeitsumgebung einen Motorraum umfassen, in welchem Luft unter Normalbedingungen vorliegt. Auch andere Ausgestaltungen des Referenzgasraumes sind jedoch möglich. So kann beispielsweise ein abgeschlossener Referenzgasraum verwendet werden, also ein Referenzgas räum, welcher nicht oder nicht wesentlich mit Gas aus dem Messgasraum und/oder einer Arbeits Umgebung beaufschlagt wird. In diesem Fall kann beispielsweise eine Referenzatmosphäre innerhalb des abge- schlossenen Referenzgasraumes dadurch aufrechterhalten bzw. herbeigeführt werden, dass dieser Referenzgas räum als „gepumpte Referenz" betrieben wird, wie beispielsweise aus dem eingangs beschriebenen Stand der Technik bekannt ist. Zu diesem Zweck kann das Sensorelement beispielsweise mindestens eine weitere Pumpelektrode umfassen. Diese weitere Pumpelektrode, welche auch ganz oder teilweise identisch sein kann mit der ersten Elektrode, kann beispielsweise in einem von dem Referenzgasraum räumlich getrennten Referenzgaskanal angeordnet sein, um, gemeinsam mit der zweiten Elektrode in dem Referenzgasraum, beispielsweise gesteuert durch eine entsprechende Regelung in dem Referenzgasraum eine bestimmte Atmosphäre (beispielsweise λ = 1) herbeizuführen.
Besonders bevorzugt ist es, wenn zwischen der ersten Elektrode und der gemeinsamen An- schlussleitung mindestens ein Vorwiderstand, beispielsweise ein ohmscher Vorwiderstand, vorgesehen ist. Dieser Vorwiderstand kann vollständig in das keramische Sensorelement integriert sein, beispielsweise in einen Schichtaufbau dieses Sensorelements. Alternativ oder zusätzlich ist jedoch grundsätzlich auch eine Ausgestaltung des Vorwiderstands außerhalb des Schichtauf- baus denkbar. - -
Im Fall der Verwendung des mindestens einen Vorwiderstands, insbesondere bei zumindest teilweise in dem Schichtaufbau integriertem Vorwiderstand, ist das Heizelement zur Nernstzelle und dem Vorwiderstand parallel geschaltet. Der Vorwiderstand dient dazu, bei dieser Parallel- Schaltung eine Schädigung der Nernstzelle zu vermeiden, insbesondere bei einer getakteten Betriebsweise des Sensorelements, wie sie unten näher beschrieben wird. Vorzugsweise weist die Nernstzelle, welche die erste Elektrode, den Festelektrolyten und die zweite Elektrode um- fasst, einen Nernstzellenwiderstand auf. Der Vorwiderstand ist in diesem Fall vorzugsweise derart gewählt, dass dieser im Betrieb des Sensorelements, das heißt beispielsweise beitypi- sehen Betriebstemperaturen des Sensorelements, den 2- bis 10-fachen Betrag, vorzugsweise den ca. 6-fachen Betrag, des Nernstzellenwiderstands aufweist. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass der überwiegende Anteil der am Heizelement abfallenden Spannung, welcher aufgrund der beschriebenen Parallelschaltung auch an dem parallelen, die Nernstzelle und den Vorwiderstand umfassenden Zweig abfällt, am Vorwiderstand anliegt, so dass eine Schädigung der Nernstzelle vermieden wird.
Vorteilhafterweise kann jedoch auf den zusätzlichen Vorwiderstand auch gänzlich verzichtet werden, insbesondere wenn der ohmsche Widerstand der Nernstzelle selbst hinreichend groß ausgelegt wird. Dies kann beispielsweise über eine ausreichende Dicke des Festelektrolyten, beispielsweise des ZrCVMaterials, und/oder durch dessen Zusammensetzung erreicht werden. Der Widerstand sollte mindestens so groß gewählt werden, dass insbesondere nach Erreichen der Betriebstemperatur ein ausreichend großer Anteil der Heizspannung an dem Festelektrolyten, beispielsweise der ZrCVKeramik, abfällt und nur so wenig an der Grenzfläche zwischen dem Festelektrolyt und der Elektrode bzw. den Elektroden, dass keine Schädigung auftritt.
Weiterhin wird eine Sensoranordnung zur Bestimmung mindestens einer physikalischen Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum vorgeschlagen, welche mindestens ein Sensorelement nach einem oder mehreren der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele umfasst. Weiterhin umfas st die Sensoranordnung mindestens eine Steuerung, welche beispielsweise ganz oder teilweise in ein Motorsteuerungsgerät eines Kraftfahrzeugs integriert sein kann. Auch eine separate Steuerung ist jedoch möglich. Dabei kann die Steuerung eingerichtet sein, um das im Folgenden beschriebene Verfahren zum Betrieb des Sensorelements durchzuführen, so dass neben der beschriebenen Steuerung und der Sensoranordnung auch ein derartiges Betriebsverfahren zum Betreiben des Sensorelements erfindungsgemäß vorgeschlagen wird. Die Steue- rung kann beispielsweise ganz oder teilweise mittels einer Datenverarbeitungseinrichtung durchgeführt werden und kann entsprechende programmtechnische Schritte umfassen, welche beispielsweise mittels eines geeigneten Computerprogramms implementiert sind.
Die Steuerung ist eingerichtet, um die Anschlussleitung wahlweise mit einer elektrischen Ener- giequelle oder einer Me ss Vorrichtung zu verbinden. Für dieses wahlweise Verbinden können beispielsweise ein oder mehrere Schalter vorgesehen sein, so dass insbesondere eine entwe- der-oder- Verbindung hergestellt werden kann. Die elektrische Energiequelle kann beispielsweise eine Spannungs- und/oder Stromquelle umfassen. Beispielsweise kann die Steuerung eingerichtet sein, um die Anschlussleitung mit einem elektrischen Pluspol der elektrischen Energie - quelle zu verbinden. Die Me ss Vorrichtung kann insbesondere eine elektrische Me ss Vorrichtung umfassen, insbesondere eine Spannungsmessvorrichtung und/oder eine S trommess Vorrichtung.
Während die oben beschriebene Sensoranordnung mit den ersten und zweiten Elektroden, dem Festelektrolyten, der Anschlussleitung und der Masseleitung vorzugsweise als monolithisches Sensorelement ausgestaltet ist, also als ein einziger keramischer Schichtaufbau, ist die Steuerung vorzugsweise separat zu diesem Schichtaufbau ausgestaltet. Zu diesem Zweck kann die Steuerung beispielsweise über ein oder mehrere Anschlussleitungen bzw. Kabel mit dem Sensorelement verbunden sein. Wie oben beschrieben, wird dabei vorzugsweise lediglich ein ein- zelnes Kabel verwendet, um die Steuerung mit der Anschlussleitung zu verbinden, wohingegen die Masseleitung mit einer Masse des Sensorelements verbunden ist. Diese Masse, welche beispielsweise ein Sensorgehäuse umfassen kann, kann beispielsweise mit einem Motorblock oder der Masse eines Kraftfahrzeugs verbunden sein.
Besonders bevorzugt ist es, wenn die Steuerung derart eingerichtet ist, dass in mindestens einer Heizphase die Anschlussleitung mit der elektrischen Energiequelle verbunden ist und in mindestens einer Messphase mit der Messvorrichtung. Die Steuerung kann insbesondere eingerichtet sein, um aus mindestens einem Signal der Messvorrichtung auf die physikalische Eigenschaft des Gases, insbesondere auf eine Sauerstoffkonzentration bzw. einen Sauerstoffpar- tialdruck, zu schließen. Dieser Auswertungsvorgang kann absolut erfolgen, indem das absolute Signal der Me ss Vorrichtung beispielsweise analytisch, empirisch oder semiempirisch mit der physikalischen Eigenschaft korreliert wird, beispielsweise über entsprechende Auswertungsfunktionen, Tabellen, Korrelations kurven oder ähnliches. Alternativ oder zusätzlich kann jedoch auch beispielsweise eine Zweipunktregelung verwendet werden, bei welcher der Aus Wertung s- schritt lediglich darin besteht, dass festgestellt wird, ob sich beispielsweise ein Gasgemisch in -o-
einem fetten Zustand oder in einem mageren Zustand befindet. In diesem Fall ist die Auswertung also eine digitale Auswertung, welche anstelle eines absoluten Messwertes lediglich eine Fett/Mag er-Information liefert.
Besonders bevorzugt ist es, wenn das Sensorelement getaktet betrieben wird. Dabei erfolgt das Auslesen der Nernst-Spannung vorzugsweise in einer Zeit zwischen zwei Heiztakten. Dementsprechend kann zwischen Heizphasen und Messphasen abwechselnd hin- und hergeschaltet werden. Dabei können beispielsweise die Heizphasen länger ausgestaltet sein als die Messphasen. Auch variable zeitliche Längen der Phasen sind denkbar, beispielsweise im Rahmen einer Pulsweitenmodulation.
Da bei der Parallelschaltung des Heizelements der Nernstzelle trotz des Vorwiderstands in der Regel eine nicht unerhebliche Spannung an der Nernstzelle abfällt, kann unter Umständen während der Heizphase aufgrund von Pumpeffekten durch die Nernstzelle eine Veränderung der Gasgemischzusammensetzung in dem Referenzgasraum auftreten. Beispielsweise kann, wenn ein Re fe re nzg a s kanal verwendet wird, der Nachstrom bzw. der Abstrom aus dem Bereich um die zweite Elektrode begrenzt sein, so dass durch das Pumpen der Referenzgaskanal entleert wird bzw. der Sauerstoffpartialdruck im Referenzgaskanal im Bereich der zweiten Elektrode sinkt. Dieser Effekt kann dadurch vermindert werden, dass das Heizelement mit wechselnder Polarität betrieben wird. Zu diesem Zweck kann beispielsweise die Steuerung eingerichtet sein, um in aufeinander folgenden Heizphasen das Heizelement mit wechselnder elektrischer Polarität zu betreiben.
Auf diese Weise lassen sich also, durch Implementierung der erfindungsgemäßen Idee, ein Sensorelement und eine Sensoranordnung herstellen, welche äußerst einfach im Aufbau sind und welche gleichzeitig dennoch eine zuverlässige und kontrollierbare Referenz für eine Messung des Nernstpotentials bereitstellen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
Figur 1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung mit einer ein- zigen Zuleitung und einem Referenzluftkanal. In Figur 1 ist ein Ausfiihrungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung 110 schematisch dargestellt. Die Sensoranordnung 110 umfasst ein Sensorelement 112 und eine Steuerung 114, welche über eine einzelne Zuleitung 116 miteinander verbunden sind. Das Sensorelement 112 umfasst ein in Figur 1 symbolisch angedeutetes Gehäuse 118, welches beispielsweise mit einer Masse 120 eines Kraftfahrzeugs verbunden sein kann. In dem Gehäuse ist das eigentliche aktive Sensorelement als keramischer Schichtaufbau 122 integriert. Für mögliche Gehäuseformen 118, insbesondere Bauformen und weitere Details, kann beispielsweise auf Robert Bosch GmbH: „Sensoren im Kraftfahrzeug", 1. Ausgabe, 2001, Seiten 112 bis 115 verwiesen werden.
Das Sensorelement 112 bzw. der keramische Schichtaufbau 122 umfassen eine erste Elektrode 124, einen Festelektrolyten 126 und eine zweite Elektrode 128. Während die erste Elektrode 124 mit einem Messgasraum 130, beispielsweise einem Abgastrakt einer Brennkraftmaschine, in Verbindung steht, in welchem eine Sauerstoffkonzentration bzw. ein Sauerstoffpartialdruck er- mitte It werden soll, ist die zweite Elektrode 128 in einem Referenzgasraum 132 angeordnet.
Dieser Referenzgas räum 132 ist in dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel Teil eines Referenzluftkanals 134, über welchen der Referenzgas räum 132 beispielsweise mit einem Motorraum, welcher vom Messgasraum 130 getrennt ist, in Verbindung steht. Der Referenzluftkanal 134 kann beispielsweise als offener Kanal oder als mit einem gasdurchlässigen, porösen Medium (beispielsweise einem offenporigem Aluminiumoxid) gefüllter Referenzluftkanal ausgestaltet sein. Die Verbindung zwischen dem Referenzluftkanal 134 und der Arbeitsumgebung, insbesondere dem Motorraum, ist in Figur 1 nicht dargestellt.
Weiterhin umfasst das Sensorelement 112 in dem in Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ein Heizelement 136. Dieses Heizelement 136 dient dazu, das Sensorelement 112 auf eine optimale Betriebstemperatur zu regeln, beispielsweise um eine Sauerstoffionenleitfähigkeit des Festelektrolyten 126 einzustellen und um eine ausreichende Robustheit gegen Schadstoffe aus dem Abgas sicherzustellen.
Die beiden Elektroden 124 und 128 und der diese Elektroden verbindende Festelektrolyt 126 bilden gemeinsam eine Nernstzelle 138. Während die erste Elektrode 124, welche direkt oder über eine gasdurchlässige Schutzschicht (beispielsweise eine offenporige Aluminiumoxid- Schicht, welche in Figur 1 nicht dargestellt ist) mit dem Messgasraum 130 in Verbindung steht, wird die zweite Elektrode 128 über den Referenzluftkanal 134 mit einer definierten Gaszusam- mensetzung beaufschlagt. Die Nernstzelle 138 verfügt somit über eine erste Nernstzellen- Zuleitung 140, welche beispielsweise als Leiterbahn auf der Oberseite des keramischen Schichtaufbaus 122 angeordnet ist und welche die erste Elektrode 124 kontaktiert, und eine zweite Nernstzellen-Zuleitung 142, welche beispielsweise in dem Referenzluftkanal 134 angeordnet ist und welche die zweite Elektrode 128 kontaktiert.
Entsprechend verfügt das Heizelement 136, welches beispielsweise als Heizmäander ausgestaltet ist oder beispielsweise mindestens einen Heizmäander umfas st, über einen ersten Heizkontakt 144 und einen zweiten Heizkontakt 146. Die Heizkontakte 144, 146 und die Nernstzellen-Zuleitung en 140, 142 können beispielsweise als gedruckte leitfähige Bahnen in dem Schichtaufbau 122 realisiert sein und können zusätzliche, in Figur 1 nicht dargestellte Isolationsschichten umfassen.
Erfindungs gemäß sind bei dem Sensorelement 112 in Figur 1 die zweite Nernstzellen-Zuleitung, welche die als Referenzelektrode fungierende zweite Elektrode 128 kontaktiert, und der zweite Heizkontakt 146 mit einer gemeinsamen Masse Ie itung 148 verbunden. Diese Zusammenfassung der Leitungen 142 und 146 kann noch innerhalb des Schichtaufbaus 122 erfolgen oder kann auch außerhalb dieses Schichtaufbaus, jedoch innerhalb des Gehäuses 118, erfolgen. Eine Zusammenfassung innerhalb des Schichtaufbaus ist beispielsweise durch Verwendung entsprechender Durchkontaktierungen möglich. In Figur 1 ist symbolisch eine Zusammenfassung zur gemeinsamen Masse Ie itung 148 außerhalb des keramischen Schichtaufbaus 122 angedeutet. Die Masseleitung 148 kann beispielsweise mit der Masse 120 verbunden sein, welche beispielsweise wiederum ihrerseits mit dem Gehäuse 118 verbunden sein kann.
In die erste Nernstzellen-Zuleitung 140 ist ein Vorwiderstand 150 integriert. Dieser Vorwider- stand 150 kann beispielsweise Bestandteil des keramischen Schichtaufbaus 122 sein oder kann, alternativ oder zusätzlich und wie in Figur 1 dargestellt, auch außerhalb des keramischen Schichtaufbaus 122 realisiert sein. Ohmsche Widerstände lassen sich beispielsweise durch entsprechende Druckschichten erzeugen, beispielsweise durch keramische Druckschichten oder ähnliche Materialien. Auch eine Verteilung des Vorwiderstands 150 auf mehrere Teilwider- stände, welche beispielsweise in Reihe geschaltet sein können, ist denkbar. Alternativ kann anstelle des Vorwiderstands 150 auch, wie oben ausgeführt, der Widerstand der Nernstzelle 138, beispielsweise durch Wahl einer geeigneten Geometrie und/oder durch Wahl einer geeigneten Materialzusammensetzung und/oder durch eine geeignete Betriebstemperatur, hinreichend groß gewählt werden. Die erste Nernstzellen-Zuleitung 140 und der erste Heizkontakt 144 sind mit einer gemeinsamen Anschlussleitung 152 verbunden. Auch diese Verbindung der Leitungen 140, 144 zur gemeinsamen Anschlussleitung 152 kann beispielsweise wiederum innerhalb des keramischen Schichtaufbaus 122 erfolgen, beispielsweise wiederum durch Verwendung entsprechender Durchkontaktierungen. In diesem Fall ist der Vorwiderstand 150 vorzugsweise Bestandteil des keramischen Schichtaufbaus 122. Alternativ kann, wie in Figur 1 angedeutet, die Verbindung mit der gemeinsamen Anschlussleitung 152 auch außerhalb des keramischen Schichtaufbaus 122 erfolgen, wie in Figur 1 angedeutet.
Das Sensorelement 112 verfügt also in dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel lediglich über einen einzigen Anschlusskontakt, welcher symbolisch mit der Bezugsziffer 154 bezeichnet ist und welcher mit der Anschlussleitung 152 verbunden ist. Der Anschlusskontakt 154 kann wiederum mit der Zuleitung 116 verbunden sein, welche das Sensorelement 112 mit der Steuerung 114 verbindet.
Innerhalb der Steuerung ist ein Schalter 156 vorgesehen, über welchen die gemeinsame An- schlussleitung 152 wahlweise mit einer elektrischen Energiequelle 158 oder mit einer Me ss Vorrichtung 160 verbindbar ist. Der Schalter 156 kann beispielsweise ein durch eine elektronische Steuervorrichtung, beispielsweise einen Mikrocontroller, gesteuerter Schalter sein. Die elektri- sehe Energiequelle 158 kann beispielsweise eine Spannungsquelle umfassen, beispielsweise eine Spannungsquelle mit einer konstanten Spannung von ca. 11 V, wobei über den Schalter 156 die Anschlussleitung 152 beispielsweise mit einem Pluspol dieser Sp annungs quelle verbindbar ist.
Die Me s s Vorrichtung 160 kann, wie in Figur 1 gezeigt, beispielsweise eine Spannungsmessvorrichtung umfassen, welche in Figur 1 symbolisch angedeutet ist. Beispielsweise kann die Spannung über einem Me ss widerstand (in Figur 1 nicht gezeigt) gemessen werden. Die Messvorrichtung 160 kann auf ihrer dem Schalter 156 gegenüberliegenden Seite beispielsweise mit einer Masse 120 verbunden sein.
Bei üblichen, dem Stand der Technik entsprechenden Sensorelementen, wird die Nernst- Spannung an der Nernstzelle 138 üblicherweise zwischen der als Nernstelektrode fungierenden ersten Elektrode 124 und der als Referenzelektrode fungierenden zweiten Elektrode 128 abgegriffen und ein Sollwert für λ = 1 beispielsweise auf 450 mV festgelegt. Die Referenzelektrode liegt dabei auf Zirkonoxid und befindet sich in dem Referenzluftkanal 134 oder wird als gepump- te Referenz betrieben. Bei üblichen Sensorelementen verfügt das Heizelement 136 über zwei separate Anschlüsse. Insgesamt muss das Sensorelement also mit vier Kontakten bzw. Anschlüssen kontaktiert werden.
Das erfindungsgemäße Sensorelement 112 in Figur 1 ist demgegenüber derart ausgelegt, dass dieses ausschließlich mit der einzigen Zuleitung 116 kontaktiert werden kann. Der Heizerstromkreis des Heizelements 136 verfügt lediglich über ein einzelnes Anschlusskabel, und der Strom fließt vom Pluspol der Energiequelle 158 über das Heizelement 136 zur Fahrzeugmasse 120. Parallel zum Heizmäander des Heizelements 136 ist die Nernstzelle 138 und der zu ihr in Reihe liegende Vorwiderstand 150 geschaltet.
Vorzugsweise ist der Heizmäander des Heizelements 136 möglichst hochohmig ausgeführt, beispielsweise mit einem Heizwiderstand von 30 Ohm. Damit lässt sich bei einer Spannung von beispielsweise 10,7 V eine Heizleistung von ca. 3,8 W in das Heizelement 136 einspeisen, von denen durch niederohmige Auslegung der Zuleitung (das heißt der Leitungen 144, 146, 148 und 116) ein möglichst großer Anteil am Mäander, also am eigentlichen Heizwiderstand, des Heizelements 136 abfallen sollte.
Vorzugsweise weist die Nernstzelle 138 einen Nernstzellenwiderstand auf und das Heizelement 136 einen Heizerwiderstand. Dabei sind Heizerwiderstand und Nernstzellenwiderstand derart gewählt, dass bei der Betriebstemperatur der Heizerwiderstand zumindest näherungs weise (d.h. beispielsweise mit einer Abweichung von nicht mehr als 20%) ein Fünftel des Nernstzellenwi- derstands, zuzüglich des Widerstands des optional vorhandenen Vorwiderstands 150, beträgt.
Da das Sensorelement 112 lediglich über den einzigen Anschlusskontakt 154 verfügt, und das die Nernstzelle 138 und das Heizelement 138 parallel geschaltet sind, sollte die Ansteuerung der Sensoranordnung 110 mittels der Steuerung 114 getaktet erfolgen. Zu diesem Zweck kann, beispielsweise softwaregesteuert, der Schalter 156 getaktet hin- und hergeschaltet werden, so dass beispielsweise jeweils in Heizphasen der Schalter 156 in der in Figur 1 gezeigten Stellung steht, wohingegen in Messphasen der Schalter 156 derart geschaltet ist, dass die Zuleitung 1 16 mit der Me ss Vorrichtung 160 verbunden ist. Die Heiz- und Messphasen können dabei gleich- o der unterschiedlich lang ausgestaltet sein. Auch eine variable Ausgestaltung ist möglich, beispielsweise in Form einer lediglich bedarfsweisen Zwischenschaltung einer oder mehrerer Messphasen zwischen eine oder mehrere längere Heizphasen. Damit keine Auskühlung des Heizelements 136 erfolgt, insbesondere in den Messphasen, wird bei einer getakteten Schaltung vorzugsweise ein hohes Tastverhältnis, also ein hohes Verhältnis zwischen den Heizphasen und den Messphasen, gewählt. Beispielsweise lassen sich Tastverhältnisse zwischen 20% und 50% wählen. Außerdem kann das Gehäuse 118 als Schutzrohr ausgestaltet sein, welches geschlossen ausgeführt sein kann.
Die Nernstzelle 138 sollte bei Verwendung des Vorwiderstands 150 einen möglichst geringen Gleichstrom widerstand aufweisen, beispielsweise maximal 20 Ohm. Der Vorwiderstand 150 der Nernstzelle 138 sollte etwa sechsmal so groß sein wie der Nernstzellenwiderstand der Nernst- zelle 138, also beispielsweise 120 Ohm betragen. Während der Heizphasen, also dem Takt, in welchem das Heizelement 136 beaufschlagt wird, fallen somit bei dem obigen Ausführungsbei- spiel ca. 11 V üb er dem Heizmäander des Heizelements 136 ab. Aufgrund der erfindungsgemäßen Parallelschaltung fällt die gleiche Spannung über der Nernstzelle 138 und dem Vorwiderstand 150 ab. Mit den erwähnten Widerstandsverhältnissen fallen dabei bei Betriebstemperatur ca. 1,5 Vüber der Nernstzelle 138 ab, die übrige Spannung am Vorwiderstand 150. Bei dieser Spannung findet noch keine Schädigung der Nernstzelle 138, insbesondere des Zirkonoxids des Festelektrolyten 126, statt. Vor einem Erreichen der Betriebstemperatur ist der Zirkonoxidwider- stand und damit der Nernstzellenwiderstand noch höher, und es fällt mehr Spannung über dem Volumen des Festelektrolyten 126 ab. Die Grenzfläche zwischen den Elektroden 124, 128, also beispielsweise den Platinelektroden, und dem Festelektrolyten 126 erfährt jedoch keinen bedeutend größeren Spannungsabfall während dieser Aufheizphase. Eine Schädigung durch zu hohe Spannung tritt jedoch in der Regel an diesen Grenzflächen auf, indem dort Zirkonoxid reduziert wird und metallisches Zirkon entsteht, was zu einer Braunfärbung des Sensorelements 112 bzw. des keramischen Schichtaufbaus 122 und einem elektrischen Neb enschluss fuhren kann. Dies wird jedoch aufgrund des überwiegenden Spannungsabfalls im inneren Volumen des Festelektrolyten 126 vorliegend nicht der Fall sein.
Zwischen zwei aufeinander folgenden Heizphasen liegt vorzugsweise keine externe Spannung am Heizmäander des Heizelements 136 und an der Nernstzelle 138 an. In diesem Zeitraum kann die Nernstspannung und damit die Abgaszusammensetzung ermittelt werden. Falls ein fettes Abgas im Messgasraum 130 vorliegt, erzeugt die Nernstzelle 138 eine Spannung von ca. 800 mV. Diese Spannung resultiert in einem Stromfluss über den Vorwiderstand 150 und den Heizmäander, welcher I = 0,8 V/ (30 Ohm + 20 Ohm + 120 Ohm) = 4,7 mAbeträgt. Ein Strom dieses Betrags kann problemlos von der Nernstzelle 138 geliefert werden. Um ein „Leerpumpen" des Referenzluftkanals 134 bzw. eine messbare Änderung der Zusammensetzung der Atmosphäre in diesem Referenzluftkanal 134 zu vermeiden, sollte dieser Referenzluftkanal 134 mit einem hohen Speichervolumen und/oder einem hohen Grenzstrom ausgestattet sein. Alternativ oder zusätzlich kann in einer weiteren Aus flihrungs form das Heizele- ment 136 durch geeignete Ausgestaltung der elektrischen Energiequelle 158 und/oder durch einen zusätzlichen Umpolschalter in der Steuerung 114 derart betrieben werden, dass das Heizelement 136 mit einer wechselnden Polarität beaufschlagt wird. Auch auf diese Weise lässt sich eine Entleerung des Referenzluftkanals 134 vermeiden. Vorzugsweise wird bei einer derartigen Beaufschlagung mit wechselnden Polaritäten die positive Polarität länger an das Heizelement 136 angelegt, um den Referenzgas räum 132 geringfügig „aufzupumpen", das heißt mit einem erhöhten Sauerstoffpartialdruck zu beaufschlagen. Bei der in Figur 1 gezeigten Ausfuhrungsform wird der erste Heizkontakt 144 vorzugsweise mit dem Pluspol der elektrischen Energiequelle 158 verbunden, so dass der Referenzluftkanal 134 gefüllt wird, da ansonsten der fließende Strom von I = (1,5 V) / 20 Ohm = 80 mA eine Verschiebung des Elektrodenpotentials der als Referenzelektrode fungierenden zweiten Elektrode 128 provozieren könnte (Continuous Shift Down, CSD).
Bei dem oben beschriebenen Stromfluss von 4,7 mAbeträgt der Spannungsabfall über dem Heizmäander des Heizelements 136 U = 4,7 mA - 30 Ohm = 141 mV. Dieser Spannungsabfall kann mittels der Me ss Vorrichtung 160 zwischen dem ersten Heizkontakt 144 und der Masse 120 detektiert werden. Falls eine magere Abgaszusammensetzung vorliegt, so wird hierbei eine Spannung von ca. U = O mVgemessen.
Die gegebenenfalls auf der Fahrzeugmasse 120 anliegenden Störspannungen betragen typi- scherweise bis zu ca. 50 mV. Applikationsspezifisch muss dieser Wert abgesichert werden. Falls dieser Wert der Störspannungen in den Bereich der mittels der Me ss Vorrichtung 160 zu messenden Spannungen kommt, müssen die oben beschriebenen Widerstands werte, insbesondere der Wert des Vorwiderstands 150, anders dimensioniert werden.
Bei dem oben beschriebenen alternativen Verfahren ohne Vorwiderstand 150 beträgt der innere Widerstand der Nernstzelle 138 beispielsweise 140 Ω. Dann ergeben sich zumindest näherungsweise dieselben Spannungen wie bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel mit Vorwiderstand 150. Bei dem in Figur 1 gezeigten Ausfiihrungsbeispiel ist das Sensorelement 112 als Sensorelement mit Referenzluftkanal 134 ausgestaltet. Wie oben beschrieben, kann jedoch alternativ oder zusätzlich auch eine gepumpte Referenz verwendet werden. Bei einer derartigen gepumpten Referenz kann die Polung der Nernstzelle 138 derart ausgeführt sein, dass während der Heiz- phasen, in denen beispielsweise 1,5 V an der Nernstzelle 138 anliegen können, der Referenzgasraum 132 mit Sauerstoff aufgepumpt wird. Dies bedeutet, dass die erste Elektrode 124 bzw. eine zusätzliche Pumpelektrode, welche für die Befüllung des Referenzgasraums 132 verwendet wird, als Anode betrieben werden sollte, also mit einem Minuspol einer Pumps pannungs- quelle verbunden sein sollte.

Claims

- -Ansprüche
1. Sensorelement (112) zur Bestimmung mindestens einer physikalischen Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum (130), insbesondere zur Bestimmung einer Sauerstoffkon- zentration im Abgas einer Brennkraftmaschine, wobei das Sensorelement (112) mindestens zwei Elektroden (124, 128) und mindestens einen die Elektroden (124, 128) verbindenden Festelektrolyten (126) aufweist, wobei das Sensorelement (112) weiterhin mindestens ein Heizelement (136) mit mindestens zwei Heizkontakten (144, 146) aufweist, wobei mindes- tens ein erster Heizkontakt (144) der Heizkontakte (144, 146) und eine erste Elektrode (124) der Elektroden (124, 128) über eine gemeinsame Anschlussleitung (152) kontaktierbar sind und wobei mindestens ein zweiter Heizkontakt (146) der Heizkontakte (144, 146) und eine zweite Elektrode (128) der Elektroden (124, 128) mit einer gemeinsamen Masse Ie itung (148) verbunden sind.
2. Sensorelement (112) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die erste Elektrode (124) mit dem Messgasraum (130) in Verbindung steht und wobei die zweite Elektrode (128) mit einem von dem Messgasraum (130) getrennten Referenzgas räum (132) in Verbindung steht.
3. Sensorelement (112) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Referenzgas räum (132) mindestens einen der folgenden Referenzgas räume aufweist:
- einen mit einer Arbeits Umgebung verbundenen Referenzgaskanal (134); - einen abgeschlossenen Referenzgasraum.
4. Sensorelement (112) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Referenzgas räum (132) einen abgeschlossenen Referenzgas räum umfasst, wobei das Sensorelement (112) mindestens eine weitere Pumpelektrode (124) umfasst, welche eingerichtet ist, um den Re- ferenzgasraum als gepumpten Referenzgas räum zu betreiben.
5. Sensorelement (112) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen der ersten Elektrode (124) und der gemeinsamen Ans chlus sie itung (152) mindestens ein Vorwiderstand (150) vorgesehen ist.
6. Sensorelement (112) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die erste Elektrode (124), der Festelektrolyt (126) und die zweite Elektrode (128) eine Nernstzelle (138) bilden, wobei die Nernstzelle (138) einen Nernstzellenwiderstand aufweist, wobei der Vorwiderstand (150) derart gewählt ist, dass dieser im Betrieb des Sensorelements (112) den 2- bis 10-fachen Betrag, vorzugsweise den 6-fachen Betrag, des Nernstzellenwiderstands aufweist.
7. Sensorelement (112) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Elektrode (124), der Festelektrolyt (126) und die zweite Elektrode (128) eine Nernstzelle (138) bil- den, wobei die Nernstzelle (138) einen Nernstzellenwiderstand aufweist, wobei ein Widerstand des Heizelements (136) bei einer Betriebstemperatur zumindest näherungsweise ein Fünftei des Nernstzellenwiderstands, zuzüglich optional des Widerstands des Vorwiderstands (150), beträgt.
8. Sensoranordnung (110) zur Bestimmung mindestens einer physikalischen Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum (130), insbesondere zur Bestimmung einer Sauerstoffkonzentration im Abgas einer Brennkraftmaschine, umfassend mindestens ein Sensorelement (112) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend mindestens ein Steuerung (114), wobei die Steuerung (114) eingerichtet ist, um die Anschlusslei- tung (152) wahlweise mit einer elektrischen Energiequelle (158), vorzugsweise einem e- lektrischen Pluspol der elektrischen Energiequelle (158), oder einer Me ss Vorrichtung (160), insbesondere einer S pannungsmess Vorrichtung und/oder einer S trommess Vorrichtung, zu verbinden.
9. Sensoranordnung (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Steuerung (114) eingerichtet ist, um das Sensorelement (112) derart zu betreiben, dass die Masseleitung (148) mit einer elektrischen Masse (120) verbunden ist, vorzugsweise mit der Masse (120) eines Kraftfahrzeugs.
10. Sensoranordnung (110) nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuerung (114) eingerichtet ist, um in mindestens einer Heizphase die Anschlussleitung (152) mit der elektrische Energiequelle (158) zu verbinden, und wobei die Steuerung (114) weiterhin eingerichtet ist, um in mindestens einer Messphase die Anschlussleitung (152) mit der Me ss Vorrichtung (160) zu verbinden, wobei die Steuerung (114) weiterhin eingerich- tet ist, um aus mindestens einem Signal der Me ss Vorrichtung (160) auf die physikalische - ö-
Eigenschaft des Gases, insbesondere auf eine Sauerstoffkonzentration und/oder einen Sauerstoffpartialdruck, zu schließen.
11. Sensoranordnung (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Steuerung (114) eingerichtet ist, um eine getaktete Messung durchzuführen, wobei Heizphasen und Messphasen abwechselnd durchgeführt werden.
12. Sensoranordnung (110) nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei die Heizphasen länger sind als die Messphasen.
13. Sensoranordnung (110) nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuerung (114) eingerichtet ist, um in aufeinander folgenden Heizphasen das Heizelement (136) mit wechselnder elektrischer Polarität zu betreiben.
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