WO2014139764A1 - Sensorvorrichtung und verfahren zum erfassen eines gases in einem gasgemisch - Google Patents

Sensorvorrichtung und verfahren zum erfassen eines gases in einem gasgemisch Download PDF

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WO2014139764A1
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reference electrode
measuring
electrode
sensor device
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PCT/EP2014/053065
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Philipp NOLTE
Richard Fix
Andreas Krauss
Kathy Sahner
Denis Kunz
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Robert Bosch GmbH
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Robert Bosch GmbH
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    • 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
    • G01N27/407—Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases
    • G01N27/4075—Composition or fabrication of the electrodes and coatings thereon, e.g. catalysts
    • G01N27/4076—Reference electrodes or reference mixtures
    • G—PHYSICS
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    • G01N27/406—Cells and probes with solid electrolytes
    • G01N27/407—Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases
    • G01N27/41—Oxygen pumping cells

Definitions

  • the present invention relates to a sensor device for detecting a gas in a gas mixture, to a method for detecting a gas in a gas mixture and to a corresponding control device.
  • Components of lambda probes in the design both as a jump and as a broadband probe, are a reference electrode and a measuring electrode, which are in communication with an electrolyte. During operation of the lambda probe, electrical voltages of the reference electrode relative to the
  • Reference electrode either facing an air reference channel of the air side or introduced into the interior of the ceramic sensor and is surrounded by a porous layer. In the latter case, in order to avoid a critical overpressure in the interior of the sensor, the oxygen is conducted via the porous layer to the air side, where it exits from the sensor element.
  • the gas sensor has an electrochemical cell with at least one
  • Reference electrode and a measuring electrode In the jumping probe, the measuring electrode is in contact with the exhaust gas.
  • a broadband probe with the gas in the cavity, which is usually the exhaust gas that has been modified by pumping in or out of oxygen at the oxygen pumping cell. Disclosure of the invention
  • a sensor device for detecting a gas in a gas mixture a method for detecting a gas in a gas mixture and a
  • diffusion-limiting layer or a diffusion-limiting
  • Layer system in a sensor for gas measurement allows separation of the reference electrode of a gas mixture such as exhaust gas.
  • a gas mixture such as exhaust gas.
  • the structure of the sensor can be simplified. In addition, it is no longer necessary to position the sensor in a housing so that it is partially on the air side.
  • a sensor device for detecting a gas in a gas mixture has the following features: a measuring electrode having a measuring surface for coming into contact with the gas mixture or a modified form of the gas mixture; a reference electrode; an electrolyte disposed between the measuring electrode and the reference electrode; and a diffusion limiting capping layer disposed on a surface of the reference electrode facing away from the electrolyte, wherein an inner surface of the capping layer contacts the reference electrode and one outer surface of the cover layer for coming into contact with the
  • the sensor device can, for example, for exhaust gas measurement in a
  • the gas mixture can u. a.
  • Oxygen and gaseous residues of burned fuel for operation of the vehicle include.
  • the sensor device can be used to determine a proportion of the gas in the gas mixture.
  • the gas mixture can be guided past the sensor device in a gas stream, for example in an air channel.
  • the measuring electrode and the reference electrode may be made of metal or comprise metal.
  • the measuring electrode can be arranged so that its measuring surface is exposed as directly as possible to the gas mixture flowing past the sensor device. This is the case with a jump probe.
  • the measuring electrode may be arranged in a cavity, which differs from a diffusion barrier at the
  • the gas mixture may be modified at the measuring electrode by pumping or pumping of oxygen, due to the function of the oxygen pumping cell, and thus be present as a modified gas mixture.
  • the gas at the measuring electrode which corresponds to a Nernst electrode in broadband lambda sensors, may not have the same composition as the gas mixture itself. Below the measuring surface, a portion of an outer surface of the
  • Measuring electrode to be understood which has the same material composition as the rest of the measuring electrode.
  • opposite surface of the measuring electrode may be firmly connected to the electrolyte.
  • One of the surfaces facing away from the electrolyte surface facing the reference electrode can be fixed to the
  • the covering layer may for example comprise a ceramic material.
  • the porosity of the cover layer may be formed by a plurality of regularly distributed or irregularly distributed and at least partially interconnected, small cavities in the cover layer.
  • the diffusion-limiting or porous cover layer can be so on the
  • the reference electrode Be applied reference electrode that they apart the reference electrode completely separates from an adjacent to the electrolyte region of the gas mixture. In this way, the reference electrode can not be in direct contact with the gas mixture, but by the
  • the diffusion-limiting cover layer to be separated from the gas mixture.
  • the diffusion-limiting cover layer may have a low gas permeability.
  • the electrolyte may be, for example, a
  • the arrangement of the measuring electrode, the reference electrode and the electrolyte can be used in the sensor device for generating a current flow from the measuring electrode to the reference electrode and from the reference electrode to the measuring electrode.
  • the measuring surface of the measuring electrode is coated on a side facing away from the electrolyte with a porous layer.
  • the measuring electrode may also be covered with a porous layer.
  • the measuring electrode thus comes into contact with the gas mixture via the porous layer.
  • the porous layer may be a protective layer.
  • the senor device the
  • diffusion-limiting cover completely cover the surface of the reference electrode facing away from the electrolyte.
  • the diffusion-limiting cover layer may be applied to the reference electrode in such a way that it extends beyond the surface of the reference electrode facing away from the electrolyte onto a surface of the electrolyte adjoining the reference electrode. This can ensure that the reference electrode is completely separated from the air channel surrounding the sensor device.
  • the diffusion-limiting cover only partially cover the facing away from the electrolyte surface of the reference electrode.
  • the electrolyte may be conductive to ions of the gas.
  • an electrical voltage gradient between the measuring electrode and the reference electrode can be produced in a simple manner, which is necessary in order to be able to detect the gas or its proportion of the gas mixture.
  • the electrolyte may also be designed to pump ions of the gas from the measuring electrode to the reference electrode when a pumping voltage is applied between the measuring electrode and the reference electrode.
  • the gas may represent oxygen and the electrolyte may be conductive to ions of oxygen.
  • the gas may represent oxygen and the electrolyte may be conductive to ions of oxygen.
  • the diffusion-limiting cover layer may be formed in order to form a depot of gas emitted by the reference electrode at the surface of the reference electrode facing away from the electrolyte during operation of the sensor device.
  • the adjacent to the reference electrode may be formed in order to form a depot of gas emitted by the reference electrode at the surface of the reference electrode facing away from the electrolyte during operation of the sensor device.
  • Gas depot can be used as a reference gas in order to be able to determine a concentration of the gas in the gas mixture in a measuring operation of the sensor device.
  • a porosity of the diffusion-limiting cover layer may be formed so that both a leakage of the gas from the
  • diffusion-limiting cover layer as well as penetration of a further gas is inhibited in the diffusion-limiting cover layer.
  • the other gas may be at least a portion of the
  • Embodiment can be prevented by simple means atomic connections between the gas and molecular components of the other gas and be created according to the depot.
  • the required material properties of the diffusion-limiting cover layer can be determined by the size, number and distribution of the porosity-forming cavities in the
  • Covering be provided in a simple manner. Also about one Total thickness of the cover layer can be optimally influenced here depot formation. Since the porosity of the cover layer at the same time allows a slight escape of the gas from the cover layer, as an additional effect, a flaking of the cover layer due to a too high gas concentration at the surface facing away from the electrolyte
  • the sensor device may comprise a device which may be designed to apply a pumping voltage or a pumping current for pumping ions of the gas from the measuring electrode through the electrolyte to the reference electrode and / or to pick off a measuring voltage applied between the measuring electrode and the reference electrode to capture the gas.
  • the device may, for example, as a voltage source and additionally or alternatively as a voltage measuring device or
  • a sensor system comprises a sensor device according to one of the embodiments explained above and a mixed gas chamber, wherein the
  • Gas mixture chamber is formed to the gas mixture along the
  • the gas mixture chamber may be configured to bring the gas mixture both in contact with the measuring electrode and in contact with the diffusion-limiting cover layer.
  • the sensor system can be arranged in an exhaust gas system of a vehicle.
  • the gas mixture chamber may have a first opening to the gas mixture, such as exhaust gas from the engine compartment of the vehicle, in the
  • Admit sensor system and having a second opening to after the measurement by the arranged in the gas mixture chamber
  • the senor system can be used to provide a
  • Sensor system be part of a lambda probe or a lambda sensor.
  • the sensor system with a control unit, for. B. a central control unit of the vehicle to be coupled.
  • a method for detecting a gas in a gas mixture with a sensor device comprising a measuring electrode with a measuring surface, a reference electrode, between the measuring electrode and the
  • Reference electrode arranged electrolyte and a diffusion-limiting cover layer, wherein the diffusion-limiting cover layer is disposed on a side remote from the electrolyte surface of the reference electrode, that an inner surface of the cover layer the
  • Reference electrode contacted and an outer surface of the cover layer is formed for coming into contact with the gas mixture comprises the following steps:
  • Reference electrode to receive ions of the gas from the measuring electrode to the
  • the method may be performed in conjunction with a previously discussed sensor system. Also by this embodiment of the invention in the form of a method, the object underlying the invention can be solved quickly and efficiently.
  • the present invention further provides a control device, which is designed to the steps of the inventive method in connection with
  • a control device can be understood to mean an electrical device which processes sensor signals and outputs control and / or data signals in dependence thereon.
  • the control unit may have an interface, which may be formed in hardware and / or software. In a hardware training, the interfaces may for example be part of a so-called system ASICs, the various functions of the
  • Control unit includes.
  • the interfaces are their own integrated circuits or at least partially consist of discrete components.
  • the interfaces may be software modules that are present, for example, on a microcontroller in addition to other software modules.
  • Fig. 1 is a diagram for explaining the structure and function of a
  • FIG. 2 is a schematic diagram of a sensor system with a
  • FIG. 3 is a flowchart of a method for detecting a gas in a gas mixture, according to an embodiment of the
  • the sensor device 100 comprises a measuring electrode 102, a reference electrode 104 and an electrolyte 106 arranged between the measuring electrode 102 and the reference electrode 104, which is designed here as a solid electrolyte.
  • the reference electrode 104 is covered by a diffusion-limiting cover layer 108.
  • the sensor device 100 is positioned in a gas mixture or measuring gas 110.
  • a surface of the measuring electrode 102 is formed as a measuring surface 1 1 1 for coming into contact with the gas mixture.
  • the diffusion-limiting capping layer 108 is disposed on the reference electrode 104 to be one of the electrolyte
  • the surface 1 12 facing away from the electrolyte 106 may here be understood as meaning a region of the overall surface of the reference electrode 104 which does not belong to the electrolyte 106 or to another
  • an inner surface 14 of the cover layer 108 contacts the reference electrode 104, while an outer surface 16 of the cover layer 108 contacts the reference surface 104
  • Measuring surface 1 1 1 of the measuring electrode 102 is exposed to the gas mixture 1 10.
  • the exemplary embodiment of the sensor device 100 shown in FIG. 1 is used to detect oxygen 11 in the gas mixture 110.
  • the electrolyte 106 is realized here as an oxygen-ion conductor.
  • the gas mixture 1 10 is here exhaust gas from a
  • a current is applied, for. B. using a power source or controllable
  • Voltage source with which a current can be adjusted, which is directed so that by electrochemical pumping 120 ions - here oxygen ions - from the measuring electrode 102 through the electrolyte 106 to the reference or the
  • Reference electrode 104 are pumped. It is indicated by two different arrow lengths that it is not essential whether the oxygen exits 104 at the end of the electrolyte 106 or on the outer surface of the (also porous) electrode. Thus, as shown in FIG the current is a depot of gas 1 18 - here oxygen - at the of the electrolyte
  • the gas 1 18 serves as a reference gas.
  • the depot formation of the gas 1 18 at the reference electrode 104 causes an electrical potential between the
  • Reference electrode 104 due to the depot formation of a high
  • the voltage between reference electrode 104 and measuring electrode 102 can be tapped and thus provides a measurement result for the oxygen content in the exhaust gas or gas mixture 1 10 or the gas in the cavity
  • the porosity of the covering layer 108 limits an advancing 124 of a further gas 126, marked by an obliquely upward arrow, to the depot of the oxygen 1 18 on the reference electrode 104.
  • the arrangement shown in the further gas 126 is at least one reducing gas, which is present in the gas mixture 1 10 proportionately.
  • the at least one reducing gas may also comprise several components, e.g. B. hydrocarbon and hydrogen simultaneously.
  • Oxygen 1 18 with the reducing gas 126 becomes a part of the oxygen
  • FIG. 1 shows that - as in a conventional pumped reference - the oxygen 1 18 is pumped from the exhaust side to the reference, is again removed from the electrolyte 106 and finally the
  • Reference is that less oxygen 1 18 by the exhaust gas 126 chemically is reduced than is pumped out of the reference electrode 104.
  • the content of remaining oxygen 1 18 at the reference electrode 104 is higher, the lower the porosity of the cover layer 108 and the higher the pumping current 120 to the pumped reference electrode 104.
  • the covering layer 108 is permeable to gas so that the oxygen pressure which builds up on the reference electrode 104 remains limited and thus does not lead to a detachment of the layer 108.
  • Reference electrode 104 may be omitted to bring the reference electrode 104 via a reference air channel in direct contact with air, which serves as an oxygen source. Even a diffusion-limiting channel over which pumped at a pumped reference electrode oxygen is transported to the air side, can be omitted.
  • FIG. 1 does not show electronic leads to the electrodes 102, 104, mechanical fasteners or housings, or a sensor heater, either in full or in full.
  • the measuring electrode 102 may still be covered with a porous layer.
  • the gas mixture 110 is composed the same at the side of the measuring electrode 102 as at the side of the reference electrode 12.
  • the measuring electrode 102 is located in a cavity and is referred to there as Nernstelektrode.
  • a diffusion barrier separates the cavity from the sample gas 1 10.
  • the cavity is over a
  • Gas composition in the cavity of the gas mixture 1 10 differ. This modified measuring gas is determined by the measurement
  • FIG. 2 shows a basic illustration of an exemplary embodiment of a sensor system 200 with a gas mixture chamber 202 and FIG
  • the mixed gas chamber 202 encloses the sensor device 100 and is designed to move the gas mixture 110 along the
  • the gas mixture chamber 202 has a first, not shown in the illustration, opening, via which the gas mixture 1 10 is introduced into the gas mixture chamber 202, and an example opposite, also not shown in the illustration, second opening, via which the gas mixture after an influx of
  • FIG. 2 shows a device 204 of the sensor device 100, which is connected to the measuring electrode 102 and the reference electrode 104 via electrical lines.
  • the device 204 is the one for
  • Power supply of the sensor device 100 is formed.
  • a pumping voltage is applied via the electrical lines 206 in order to pump ions of the gas to be detected from the measuring electrode 102 through the electrolyte 106 to the reference electrode 104.
  • the device 204 is designed to connect, via the lines 206 or further lines routed in parallel, between the measuring electrode 102 and the
  • Reference electrode 104 applied measuring voltage or a current flowing between the measuring electrode 102 and the reference electrode 104 measuring current.
  • FIG. 3 shows a flow chart of an embodiment of a method 300 for detecting a gas in a gas mixture.
  • the method 300 may be implemented in a sensor system as described with reference to FIG. 2.
  • a gas mixture is introduced along a
  • Sensor device with the gas mixture in contact By means of a corresponding device of the sensor device is in a step 304 between the measuring electrode and a reference electrode of the sensor device, a pumping current, for. From a current source or a programmable voltage source applied to ions of a predefined gas in the
  • miniaturized electrolytes 106 for example in the form of a thin-layer electrolyte, in particular with the purpose that no part of the electrochemical sensor element is located on the air side. Also one
  • reference electrode can be attached facing away from the exhaust gas by a coplanar arrangement of reference electrode and measuring electrode.
  • an exemplary embodiment comprises a "and / or" link between a first feature and a second feature, then this is to be read so that the embodiment according to one embodiment, both the first feature and the second feature and according to another embodiment either only first feature or only the second feature.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung (100) zum Erfassen eines Gases (118) in einem Gasgemisch (110). Die Sensorvorrichtung (100) umfasst eine Messelektrode (102) mit einer Messoberfläche (111) zum In-Kontakt-Kommen mit dem Gasgemisch (110), eine Referenzelektrode (104), einen Elektrolyten (106), der zwischen der Messelektrode (102) und der Referenzelektrode (104) angeordnet ist, und eine diffusionsbegrenzende Abdeckschicht (108), die auf einer von dem Elektrolyten (106) abgewandten Oberfläche (112) der Referenzelektrode (104) angeordnet ist, wobei eine innere Oberfläche (114) der Abdeckschicht (108) die Referenzelektrode (104) kontaktiert und eine äußere Oberfläche (116) der Abdeckschicht (108) zum In-Kontakt-Kommen mit dem Gasgemisch (110) ausgebildet ist. Bei einer Sensorgeometrie nach dem Schema einer Breitband-Lambdasonde kann das Gasgemisch an der Messoberfläche an der Messelektrode durch eine Sauerstoffpumpzelle modifiziert sein. Dies entspricht einem elektrochemischen Abpumpen oder Einpumpen von Sauerstoff.

Description

Beschreibung Titel
Sensorvorrichtung und Verfahren zum Erfassen eines Gases in einem
Gasgemisch
Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein eine Sensorvorrichtung zum Erfassen eines Gases in einem Gasgemisch, auf ein Verfahren zum Erfassen eines Gases in einem Gasgemisch sowie auf ein entsprechendes Steuergerät.
Bestandteile von Lambdasonden, in der Ausführung sowohl als Sprung- als auch als Breitbandsonde, sind eine Referenzelektrode und eine Messelektrode, die mit einem Elektrolyten in Verbindungen stehen. Im Betrieb der Lambdasonde werden elektrische Spannungen der Referenzelektrode gegenüber der
Messelektrode bewertet. Zur Referenzelektrode wird elektrochemisch Sauerstoff gepumpt, der auf der Referenzseite austritt. Herkömmlicherweise ist die
Referenzelektrode entweder über einen Luftreferenzkanal der Luftseite zugewandt oder im Inneren des keramischen Sensors eingebracht und ist dabei von einer porösen Schicht umgeben. In letzterem Fall wird zur Vermeidung eines kritischen Überdrucks im Inneren des Sensors der Sauerstoff über die poröse Schicht auf die Luftseite geleitet und tritt dort aus dem Sensorelement aus.
Die Schrift„Sauberes Abgas durch Keramiksensoren", Thorsten Baunach, Katharina Schänzlin und Lothar Diehl, Physik Journal 5 2006 (5), pp 33 ff.
offenbart einen Gassensor nach dem Sprung- und nach dem Breitbandprinzip. Der Gassensor weist eine elektrochemische Zelle mit mindestens einer
Referenzelektrode und einer Messelektrode auf. Bei der Sprungsonde steht die Messelektrode mit dem Abgas in Kontakt. Bei einer Breitbandsonde mit dem Gas im Hohlraum, wobei es sich in der Regel um das Abgas handelt, das durch ein- oder Auspumpen von Sauerstoff an der Sauerstoffpumpzelle modifiziert wurde. Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund wird mit der vorliegenden Erfindung eine
Sensorvorrichtung zum Erfassen eines Gases in einem Gasgemisch, ein Verfahren zum Erfassen eines Gases in einem Gasgemisch sowie ein
Steuergerät, das dieses Verfahren verwendet gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
Der Einsatz einer gepumpten Referenzelektrode mit einer
diffusionsbegrenzenden Schicht bzw. einem diffusionsbegrenzenden
Schichtsystem in einem Sensor zur Gasmessung ermöglicht eine Trennung der Referenzelektrode von einem Gasgemisch wie beispielsweise Abgas. Dadurch kann sowohl auf einen Kontakt der Referenzelektrode mit Luft über einen Luftkanal als auch auf eine Ableitung eines gepumpten Gases, z. B. Sauerstoff, auf die Luftseite verzichtet werden.
Mit dem hier vorgestellten Konzept kann der Aufbau des Sensors vereinfacht werden. Zudem ist es nicht mehr erforderlich, den Sensor so in einem Gehäuse zu positionieren, dass er teilweise auf der Luftseite steht.
Eine Sensorvorrichtung zum Erfassen eines Gases in einem Gasgemisch weist die folgenden Merkmale auf: eine Messelektrode mit einer Messoberfläche zum In-Kontakt-Kommen mit dem Gasgemisch oder einer modifizierten Form des Gasgemisches; eine Referenzelektrode; einen Elektrolyten, der zwischen der Messelektrode und der Referenzelektrode angeordnet ist; und eine diffusionsbegrenzende Abdeckschicht, die auf einer von dem Elektrolyten abgewandten Oberfläche der Referenzelektrode angeordnet ist, wobei eine innere Oberfläche der Abdeckschicht die Referenzelektrode kontaktiert und eine äußere Oberfläche der Abdeckschicht zum In-Kontakt-Kommen mit dem
Gasgemisch ausgebildet ist.
Die Sensorvorrichtung kann beispielsweise zur Abgasmessung in einem
Fahrzeug eingesetzt werden und als eine Lambdasonde oder Teil einer
Lambdasonde ausgebildet sein. Das Gasgemisch kann u. a. Sauerstoff und gasförmige Reste von verbranntem Kraftstoff zum Betrieb des Fahrzeugs umfassen. Die Sensorvorrichtung kann zur Bestimmung eines Anteils des Gases an dem Gasgemisch eingesetzt werden. Dazu kann das Gasgemisch in einem Gasstrom an der Sensorvorrichtung vorbeigeführt werden, beispielsweise in einem Luftkanal. Die Messelektrode und die Referenzelektrode können aus Metall bestehen oder Metall umfassen. Die Messelektrode kann so angeordnet sein, dass ihre Messoberfläche dem an der Sensorvorrichtung vorbeiströmenden Gasgemisch möglichst direkt ausgesetzt ist. Dies ist bei einer Sprungsonde der Fall. Bei einer Breitbandsonde kann die Messelektrode in einem Hohlraum angeordnet sein, der von einer Diffusionsbarriere von dem an der
Sensorvorrichtung vorbeiströmenden Gasgemisch getrennt sein kann. Im Fall eines Sensors nach dem Schema einer Breitband-Lambdasonde kann das Gasgemisch an der Messelektrode durch Zu- oder Abpumpen von Sauerstoff, aufgrund der Funktion der Sauerstoffpumpzelle, modifiziert sein und somit als modifiziertes Gasgemisch vorliegen. Somit kann das Gas an der Messelektrode, die einer Nernstelektrode bei Breitbandlambdasensoren entspricht, nicht die gleiche Zusammensetzung haben, wie das Gasgemisch selbst. Unter der Messoberfläche kann ein Abschnitt einer Außenfläche der
Messelektrode verstanden werden, die die gleiche Materialzusammensetzung wie die restliche Messelektrode aufweist. Eine der Messoberfläche
gegenüberliegende Fläche der Messelektrode kann fest mit dem Elektrolyten verbunden sein. Eine der von dem Elektrolyten abgewandten Oberfläche gegenüberliegende Oberfläche der Referenzelektrode kann fest mit dem
Elektrolyten verbunden sein. Die Abdeckschicht kann beispielsweise ein Keramikmaterial aufweisen. Die Porosität der Abdeckschicht kann durch eine Vielzahl von regelmäßig oder unregelmäßig verteilten und zumindest teilweise untereinander verbundenen, kleinen Hohlräumen in der Abdeckschicht gebildet werden. Die diffusionsbegrenzende oder poröse Abdeckschicht kann so auf der
Referenzelektrode aufgebracht sein, dass sie die Referenzelektrode abgesehen von einem an den Elektrolyten angrenzenden Bereich vollumfänglich von dem Gasgemisch trennt. Auf diese Weise kann die Referenzelektrode nicht im direkten Kontakt mit dem Gasgemisch stehen, sonder durch die
diffusionsbegrenzende Abdeckschicht von dem Gasgemisch getrennt sein. Die diffusionsbegrenzende Abdeckschicht kann eine geringe Durchlässigkeit für Gas aufweisen. Beispielsweise kann ein sich im Pumpbetrieb der Sensorvorrichtung an einer Grenzfläche zwischen der Referenzelektrode und der
diffusionsbegrenzenden Abdeckschicht ansammelndes Gas aufgrund der Porosität der Abdeckschicht langsam durch die diffusionsbegrenzende
Abdeckschicht abgeleitet werden. Aufgrund der geringen Gasdurchlässigkeit der diffusionsbegrenzenden Abdeckschicht kann zum einen ein Gasdepot im Bereich der Referenzelektrode gebildet werden und zum anderen kann ein durch das Gas entstehender Überdruck im Bereich der Referenzelektrode verhindert werden. Bei dem Elektrolyten kann es sich beispielsweise um einen
Festkörperelektrolyten handeln. Die Anordnung aus der Messelektrode, der Referenzelektrode und dem Elektrolyt kann in der Sensorvorrichtung zum Erzeugen eines Stromflusses von der Messelektrode zu der Referenzelektrode sowie von der Referenzelektrode zu der Messelektrode eingesetzt werden.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Messoberfläche der Messelektrode auf einer dem Elektrolyten abgewandten Seite mit einer porösen Schicht überzogen. Grundsätzlich darf die Messelektrode auch mit einer porösen Schicht überdeckt sein. Gemäß einer Ausführungsform kommt die Messelektrode somit über die poröse Schicht mit dem Gasgemisch in Kontakt. Bei der porösen Schicht kann es sich um eine Schutzschicht handeln.
Gemäß einer Ausführungsform der Sensorvorrichtung kann die
diffusionsbegrenzende Abdeckschicht die von dem Elektrolyten abgewandte Oberfläche der Referenzelektrode vollständig abdecken. Beispielsweise kann die diffusionsbegrenzende Abdeckschicht so auf der Referenzelektrode aufgebracht sein, dass sie sich über die von dem Elektrolyten abgewandten Oberfläche der Referenzelektrode hinaus auf eine Oberfläche des an die Referenzelektrode angrenzenden Elektrolyten erstreckt. Damit kann sichergestellt werden, dass die Referenzelektrode vollständig von dem die Sensorvorrichtung umgebenden Luftkanal getrennt ist. Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die diffusionsbegrenzende Abdeckschicht die von dem Elektrolyten abgewandte Oberfläche der Referenzelektrode nur teilweise abdecken.
Der Elektrolyt kann leitend für Ionen des Gases ausgebildet sein. So kann auf einfache Weise ein elektrisches Spannungsgefälle zwischen der Messelektrode und der Referenzelektrode hergestellt werden, das erforderlich ist, um das Gas bzw. dessen Anteil am Gasgemisch erfassen zu können. Insbesondere kann der Elektrolyt auch ausgebildet sein, um Ionen des Gases von der Messelektrode zu der Referenzelektrode zu pumpen, wenn zwischen der Messelektrode und der Referenzelektrode eine Pumpspannung angelegt ist.
Beispielsweise kann das Gas Sauerstoff repräsentieren und der Elektrolyt leitend für Ionen des Sauerstoffs sein. So kann ohne Weiteres ein Sauerstoffgehalt in einem Abgasgemisch aus einem Motor eines Fahrzeugs ermittelt werden, um festzustellen, ob der Motor gesetzliche Abgasnormen erfüllt.
Insbesondere kann die diffusionsbegrenzende Abdeckschicht ausgebildet sein, um im Betrieb der Sensorvorrichtung ein Depot von von der Referenzelektrode abgegebenem Gas an der von dem Elektrolyten abgewandten Oberfläche der Referenzelektrode zu bilden. Das an die Referenzelektrode angrenzende
Gasdepot kann als Referenzgas verwendet werden, um in einem Messbetrieb der Sensorvorrichtung eine Konzentration des Gases in dem Gasgemisch bestimmen zu können. Beispielsweise kann eine Porosität der diffusionsbegrenzenden Abdeckschicht so ausgebildet sein, dass sowohl ein Austreten des Gases aus der
diffusionsbegrenzenden Abdeckschicht als auch ein Eindringen eines weiteren Gases in die diffusionsbegrenzende Abdeckschicht gehemmt ist. Bei dem weiteren Gas kann es sich um zumindest einen Anteil aus dem die
Sensorvorrichtung umgebenden Gasgemisch handeln. Mit dieser
Ausführungsform können mit einfachen Mitteln atomare Verbindungen zwischen dem Gas und molekularen Bestandteilen des weiteren Gases verhindert werden und entsprechend das Depot angelegt werden. Die erforderlichen stofflichen Eigenschaften der diffusionsbegrenzenden Abdeckschicht können durch Größe, Anzahl und Verteilung der die Porosität bildenden Hohlräume in der
Abdeckschicht auf einfache Weise bereitgestellt werden. Auch über eine insgesamte Dicke der Abdeckschicht kann hier die Depotbildung optimal beeinflusst werden. Da die Porosität der Abdeckschicht gleichzeitig einen geringfügigen Austritt des Gases aus der Abdeckschicht erlaubt, kann als zusätzlicher Effekt ein Abplatzen der Abdeckschicht aufgrund einer zu hohen Gaskonzentration an der von dem Elektrolyten abgewandten Oberfläche der
Referenzelektrode wirksam vermieden werden.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Sensorvorrichtung eine Einrichtung aufweisen, die ausgebildet sein kann, um eine Pumpspannung oder einen Pumpstrom zum Pumpen von Ionen des Gases von der Messelektrode durch den Elektrolyten zu der Referenzelektrode anzulegen und/oder eine zwischen der Messelektrode und der Referenzelektrode anliegende Messspannung abzugreifen, um das Gas zu erfassen. So kann die lonenbewegung zwischen der Messelektrode und der Referenzelektrode auf einfache Weise optimal gesteuert werden. Die Einrichtung kann beispielsweise als eine Spannungsquelle und zusätzlich oder alternativ als eine Spannungsmesseinrichtung oder
Strommesseinrichtung ausgeführt sein.
Ein Sensorsystem umfasst eine Sensorvorrichtung gemäß einer der oben erläuterten Ausführungsformen und eine Gasgemischkammer, wobei die
Sensorvorrichtung in der Gasgemischkammer angeordnet ist und die
Gasgemischkammer ausgebildet ist, um das Gasgemisch entlang der
Sensorvorrichtung zu leiten. Insbesondere kann die Gasgemischkammer ausgebildet sein, um das Gasgemisch sowohl in Kontakt mit der Messelektrode als auch in Kontakt mit der diffusionsbegrenzenden Abdeckschicht zu bringen.
Somit kann das Gasgemisch entlang der Messelektrode und der
diffusionsbegrenzenden Abdeckschicht geleitet werden. Beispielsweise kann das Sensorsystem in einem Abgasstrang eines Fahrzeugs angeordnet sein. Die Gasgemischkammer kann eine erste Öffnung aufweisen, um das Gasgemisch, beispielsweise Abgas aus dem Motorbereich des Fahrzeugs, in das
Sensorsystem einzulassen, und eine zweite Öffnung aufweisen, um nach erfolgter Messung durch die in der Gasgemischkammer angeordnete
Sensorvorrichtung das Abgas aus dem Sensorsystem auszuleiten.
Beispielsweise kann das Sensorsystem eingesetzt werden, um einen
Sauerstoffanteil in dem Abgas des Fahrzeugs zu ermitteln. Dazu kann das
Sensorsystem Bestandteil einer Lambdasonde oder eines Lambdasensors sein. Zur Funktionssteuerung kann das Sensorsystem mit einem Steuergerät, z. B. einem Zentralsteuergerät des Fahrzeugs, gekoppelt sein.
Ein Verfahren zum Erfassen eines Gases in einem Gasgemisch mit einer Sensorvorrichtung, die eine Messelektrode mit einer Messoberfläche, eine Referenzelektrode, einen zwischen der Messelektrode und der
Referenzelektrode angeordneten Elektrolyten und eine diffusionsbegrenzende Abdeckschicht aufweist, wobei die diffusionsbegrenzende Abdeckschicht so auf einer von dem Elektrolyten abgewandten Oberfläche der Referenzelektrode angeordnet ist, dass eine innere Oberfläche der Abdeckschicht die
Referenzelektrode kontaktiert und eine äußere Oberfläche der Abdeckschicht zum In-Kontakt-Kommen mit dem Gasgemisch ausgebildet ist, weist die folgenden Schritte auf:
Leiten des Gasgemisches entlang der Sensorvorrichtung, um die
Messoberfläche der Messelektrode mit dem Gasgemisch in Kontakt zu bringen;
Anlegen einer Pumpspannung zwischen der Messelektrode und der
Referenzelektrode, um Ionen des Gases von der Messelektrode zu der
Referenzelektrode zu pumpen; und
Abgreifen einer zwischen der Messelektrode und der Referenzelektrode anliegenden Messspannung, um das Gas zu erfassen.
Das Verfahren kann in Zusammenhang mit einem im Vorangehenden erläuterten Sensorsystem durchgeführt werden. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form eines Verfahrens kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.
Die vorliegende Erfindung schafft ferner ein Steuergerät, das ausgebildet ist, um die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens in Zusammenhang mit
Ausführungsformen der oben erläuterten Sensorvorrichtung durchzuführen bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form eines Steuergeräts kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden. Unter einem Steuergerät kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Das Steuergerät kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen des
Steuergeräts beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Darstellung zur Erläuterung von Aufbau und Funktion einer
Sensorvorrichtung zum Erfassen eines Gases in einem Gasgemisch, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; Fig. 2 eine Prinzipdarstellung eines Sensorsystems mit einer
Gasgemischkammer und der Sensorvorrichtung aus Fig. 1 , gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 3 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Erfassen eines Gases in einem Gasgemisch, gemäß einem Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung.
In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren
dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche
Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
Fig. 1 zeigt anhand einer Darstellung schematisch Aufbau und Funktion eines Ausführungsbeispiels einer Sensorvorrichtung 100 zum Erfassen eines Gases in einem Gasgemisch. Die Sensorvorrichtung 100 umfasst eine Messelektrode 102, eine Referenzelektrode 104 sowie einen zwischen der Messelektrode 102 und der Referenzelektrode 104 angeordneten Elektrolyten 106, der hier als ein Festkörperelektrolyt ausgebildet ist. Die Referenzelektrode 104 ist von einer diffusionsbegrenzenden Abdeckschicht 108 bedeckt.
Die Sensorvorrichtung 100 ist in einem Gasgemisch bzw. Messgas 1 10 positioniert. Eine Oberfläche der Messelektrode 102 ist als eine Messoberfläche 1 1 1 zum In-Kontakt-Kommen mit dem Gasgemisch ausgebildet. Wie die Darstellung in Fig. 1 zeigt, ist die diffusionsbegrenzende Abdeckschicht 108 so auf der Referenzelektrode 104 angeordnet, dass sie eine von dem Elektrolyten
106 abgewandte Oberfläche 1 12 der Referenzelektrode 104 vollständig abdeckt und die Referenzelektrode 104 so physisch vom umgebenden Gasgemisch 1 10 trennt. Unter der von dem Elektrolyten 106 abgewandte Oberfläche 1 12 kann hier ein Bereich der Gesamtoberfläche der Referenzelektrode 104 verstanden werden, der nicht von dem Elektrolyten 106 oder einer weiteren
gasundurchlässigen Schicht bedeckt ist. Wie die Darstellung zeigt, kontaktiert eine innere Oberfläche 1 14 der Abdeckschicht 108 die Referenzelektrode 104, während eine äußere Oberfläche 1 16 der Abdeckschicht 108 wie die
Messoberfläche 1 1 1 der Messelektrode 102 dem Gasgemisch 1 10 ausgesetzt ist. Das in Fig. 1 gezeigte Ausführungsbeispiel der Sensorvorrichtung 100 wird zum Erfassen von Sauerstoff 1 18 in dem Gasgemisch 1 10 eingesetzt.
Entsprechend ist der Elektrolyt 106 hier als ein Sauerstoff-Ionen-Leiter realisiert. Bei dem Gasgemisch 1 10 handelt es sich hier um Abgas aus einem
Verbrennungsmotor eines Fahrzeugs.
Über eine nicht gezeigte Einrichtung der Sensorvorrichtung wird ein Strom angelegt, z. B. unter Verwendung einer Stromquelle bzw. regelbaren
Spannungsquelle, mit der sich ein Strom einstellen lässt, der so gerichtet ist, dass durch elektrochemisches Pumpen 120 Ionen - hier Sauerstoffionen - von der Messelektrode 102 durch den Elektrolyten 106 zu der Referenz bzw. der
Referenzelektrode 104 gepumpt werden. Durch zwei verschiedene Pfeil-Längen wird angedeutet, dass es nicht wesentlich ist, ob der Sauerstoff am Ende des Elektrolyten 106 oder an der äußeren Oberfläche der (ebenfalls porösen) Elektrode austritt 104. So wird, wie die Darstellung in Fig. 1 zeigt, durch den Strom ein Depot des Gases 1 18 - hier Sauerstoff - an der von dem Elektrolyten
106 abgewandten Oberfläche 1 12 der Referenzelektrode 104 gebildet. Das Gas 1 18 dient hierbei als Referenzgas. Die Depotbildung des Gases 1 18 an der Referenzelektrode 104 bewirkt ein elektrisches Potenzial zwischen der
Referenzelektrode 104, die aufgrund der Depotbildung von einer hohen
Konzentration des Gases 1 18 umgeben ist, und der Messelektrode 102.
Die Spannung zwischen Referenzelektrode 104 und Messelektrode 102 kann abgegriffen werden und liefert damit ein Messergebnis zu dem Sauerstoffgehalt in dem Abgas bzw. Gasgemisch 1 10 bzw. dem Gas im Hohlraum
(Breitbandsonde).
Wie die Darstellung in Fig. 1 zeigt, erlaubt aber beschränkt die Porosität der Abdeckschicht 108 ein mittels eines schräg nach oben gerichteten Pfeils gekennzeichnetes Vordringen 124 eines weiteren Gases 126 zu dem Depot des Sauerstoffs 1 18 an der Referenzelektrode 104. Bei der in Fig. 1 gezeigten Anordnung handelt es sich bei dem weiteren Gas 126 um mindestens ein reduzierendes Gas, das in dem Gasgemisch 1 10 anteilig vorliegt. Das mindestens eine reduzierende Gas kann auch mehrere Komponenten umfassen, z. B. Kohlenwasserstoff und Wasserstoff gleichzeitig. Über eine mittels eines schräg nach unten gerichteten Pfeils gekennzeichnete Reaktion 128 des
Sauerstoffs 1 18 mit dem reduzierenden Gas 126 wird ein Teil des Sauerstoffs
1 18 an der Referenzelektrode 104 abgebaut. Ein weiterer Teil des Sauerstoffs 1 18 kann durch die diffusionsbegrenzende Abdeckschicht 108 in das Messgas 1 10 diffundieren, wie es ein weiterer schräg nach unten gerichteter Pfeil 130 in der Illustration kennzeichnet.
Die Darstellung in Fig. 1 zeigt, dass - wie bei einer herkömmlichen gepumpten Referenz - der Sauerstoff 1 18 von der Abgasseite zur Referenz gepumpt wird, Wieder aus dem Elektrolyten 106 ausgebaut wird und schließlich die
messgaszugewandte gepumpte Referenzelektrode 104 mit der
diffusionsbegrenzenden Abdeckschicht 108 umgibt. Da jedoch die
Referenzelektrode 104 von der Schicht 108 aus diffusionsbegrenzendem
Material bedeckt ist, wird die sofortige Abfuhr des ausgepumpten Sauerstoffs 1 18 zurück ins Abgas 1 10 erschwert und gleichzeitig der Zutritt des Abgasanteils 126 auf die Elektrode 104, der zu einem chemischen Abbau des ausgepumpten Sauerstoffs 1 18 führt, verringert. Voraussetzung für ein Funktionieren der
Referenz ist, dass weniger Sauerstoff 1 18 durch das Abgas 126 chemisch reduziert wird, als aus der Referenzelektrode 104 ausgepumpt wird. Der Gehalt an verbleibendem Sauerstoff 1 18 an der Referenzelektrode 104 ist umso höher, je niedriger die Porosität der Abdeckschicht 108 und je höher der Pumpstrom 120 zur gepumpten Referenzelektrode 104 ist. Die Abdeckschicht 108 ist gasdurchlässig, damit der sich an der Referenzelektrode 104 aufbauende Sauerstoff-Druck begrenzt bleibt und somit nicht zu einer Ablösung der Schicht 108 führt.
Mit dem anhand der Fig. 1 erläuterten Konzept zur Positionierung der
Referenzelektrode 104 kann darauf verzichtet werden, die Referenzelektrode 104 über einen Referenzluftkanal in unmittelbarem Kontakt mit Luft, die als Sauerstoffquelle dient, zu bringen. Auch ein diffusionsbegrenzender Kanal, über den bei einer gepumpten Referenzelektrode gepumpter Sauerstoff auf die Luftseite abtransportiert wird, kann entfallen.
Zur besseren Übersichtlichkeit sind in der Fig. 1 elektronische Zuleitungen zu den Elektroden 102, 104, mechanische Befestigungen bzw. Gehäuse sowie eine Sensorheizung nicht oder nicht vollumfänglich gezeigt.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Messelektrode 102 noch mit einer porösen Schicht überdeckt sein.
Bei einem Ausführungsbeispiel einer Sprungsonde ist das Gasgemisch 1 10 an der Seite der Messelektrode 102 gleich zusammengesetzt wie auf der Seite der Referenzelektrode 1 12.
Bei einem Ausführungsbeispiel einer Sonde mit Pumpzelle
(Breitbandlambdasonde) befindet sich die Messelektrode 102 in einem Hohlraum und wird dort als Nernstelektrode bezeichnet. Eine Diffusionsbarriere trennt den Hohlraum vom Messgas 1 10. Außerdem wird der Hohlraum über eine
Sauerstoffpumpzelle vom Messgas 1 10 getrennt. Durch den Betrieb des Sauererstoffpumpstroms in der Pumpzelle, wodurch Sauerstoff in den Hohlraum gelangt oder aus dem Hohlraum entfernt wird, kann sich die
Gaszusammensetzung im Hohlraum vom Gasgemisch 1 10 unterscheiden. Dieses modifizierte Messgas wird durch die Messung zwischen
Referenzelektrode und Nernstelektrode charakterisiert. Fig. 2 zeigt anhand einer Prinzipdarstellung ein Ausführungsbeispiel eines Sensorsystems 200 mit einer Gasgemischkammer 202 und der
Sensorvorrichtung 100 aus Fig. 1 . Die Gasgemischkammer 202 umschließt die Sensorvorrichtung 100 und ist ausgebildet, um das Gasgemisch 1 10 entlang der
Sensorvorrichtung 100 zu leiten. Beispielsweise weist die Gasgemischkammer 202 eine erste, in der Darstellung nicht gezeigte, Öffnung auf, über die das Gasgemisch 1 10 in die Gasgemischkammer 202 eingeleitet wird, und eine beispielsweise gegenüberliegende, in der Darstellung ebenfalls nicht gezeigte, zweite Öffnung auf, über die das Gasgemisch nach einer Beströmung der
Sensorvorrichtung 100 wieder aus der Gasgemischkammer 202 austritt.
Die Darstellung in Fig. 2 zeigt eine Einrichtung 204 der Sensorvorrichtung 100 auf, die über elektrische Leitungen mit der der Messelektrode 102 und der Referenzelektrode 104 verbunden ist. Die Einrichtung 204 ist zum einen zur
Spannungsversorgung der Sensorvorrichtung 100 ausgebildet. Mithilfe der Einrichtung 204 wird über die elektrischen Leitungen 206 eine Pumpspannung angelegt, um Ionen des zu erfassenden Gases von der Messelektrode 102 durch den Elektrolyten 106 zu der Referenzelektrode 104 zu pumpen. Ferner ist die Einrichtung 204 ausgebildet, um über die Leitungen 206 oder weitere parallel geführte Leitungen eine zwischen der Messelektrode 102 und der
Referenzelektrode 104 anliegende Messspannung oder einen zwischen der Messelektrode 102 und der Referenzelektrode 104 fließenden Messstrom abzugreifen.
Fig. 3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens 300 zum Erfassen eines Gases in einem Gasgemisch. Das Verfahren 300 kann in einem Sensorsystem, wie es anhand der Fig. 2 beschrieben ist, ausgeführt werden. In einem Schritt 302 wird ein Gasgemisch entlang einer
Sensorvorrichtung geleitet, um eine Messoberfläche einer Messelektrode der
Sensorvorrichtung mit dem Gasgemisch in Kontakt zu bringen. Mittels einer entsprechenden Einrichtung der Sensorvorrichtung wird in einem Schritt 304 zwischen der Messelektrode und einer Referenzelektrode der Sensorvorrichtung eine Pumpsstrom, z. B. von einer Stromquelle oder einer programmierbaren Spannungsquelle, angelegt, um Ionen eines vordefinierten Gases in dem
Gasgemisch von der Messelektrode zu der Referenzelektrode zu pumpen. In einem Schritt 306 wird wiederum mittels der oben erwähnten Einrichtung eine zwischen der Messelektrode und der Referenzelektrode anliegende
Messspannung abgegriffen, um das Gas zu erfassen.
Gassensoren gemäß dem hier vorgestellten Konzept können für die
Charakterisierung des Restsauerstoffanteils in Verbrennungsgasen,
insbesondere in Verbindung mit einer Sprung-Lambda-Sonde, im Abgas von Verbrennungsmotoren eingesetzt werden. Ein Einsatz empfiehlt sich auch bei Verwendung von miniaturisierten Elektrolyten 106, beispielsweise in Form eines Dünnschichtelektrolyts, insbesondere mit dem Zweck, dass sich kein Teil des elektrochemischen Sensorelements auf der Luftseite befindet. Auch eine
Verwendung im Zusammenhang mit keramischen Sensoren auf Basis von Dickschichttechnologie ist denkbar, wo durch eine koplanare Anordnung von Referenzelektrode und Messelektrode die Referenzelektrode abgaszugewandt angebracht werden kann.
Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden. Ferner können erfindungsgemäße Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden.
Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine„und/oder"-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.

Claims

Ansprüche
1 . Sensorvorrichtung (100) zum Erfassen eines Gases (1 18) in einem
Gasgemisch (1 10), wobei die Sensorvorrichtung (100) die folgenden Merkmale aufweist: eine Messelektrode (102) mit einer Messoberfläche (1 1 1 ) zum In-Kontakt- Kommen mit dem Gasgemisch (1 10) oder einer modifizierten Form des Gasgemisches (1 10); eine Referenzelektrode (104); einen Elektrolyten (106), der zwischen der Messelektrode (102) und der Referenzelektrode (104) angeordnet ist; und eine diffusionsbegrenzende Abdeckschicht (108), die auf einer von dem Elektrolyten (106) abgewandten Oberfläche (1 12) der Referenzelektrode (104) angeordnet ist, wobei eine innere Oberfläche (1 14) der Abdeckschicht (108) die Referenzelektrode (104) kontaktiert und eine äußere Oberfläche (1 16) der Abdeckschicht (108) zum In-Kontakt-Kommen mit dem
Gasgemisch (1 10) ausgebildet ist.
Sensorvorrichtung (100) gemäß Anspruch 1 , bei der die Messoberfläche (1 1 1 ) der Messelektrode (102) auf einer dem Elektrolyten (106)
abgewandten Seite mit einer porösen Schicht überzogen ist.
Sensorvorrichtung (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei der die diffusionsbegrenzende Abdeckschicht (108) die von dem
Elektrolyten (106) abgewandte Oberfläche (1 12) der Referenzelektrode (104) vollständig oder teilweise abdeckt. Sensorvorrichtung (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei der der Elektrolyt (106) leitend für Ionen des Gases (1 18) ausgebildet ist.
Sensorvorrichtung (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei der das Gas (1 18) Sauerstoff repräsentiert und der Elektrolyt (106) leitend für Ionen des Sauerstoffs ist.
Sensorvorrichtung (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei der die diffusionsbegrenzende Abdeckschicht (108) ausgebildet ist, um im Betrieb der Sensorvorrichtung (100) ein Depot von von der
Referenzelektrode (104) abgegebenem Gas (1 18) an der von dem
Elektrolyten (106) abgewandten Oberfläche (1 12) der Referenzelektrode (104) zu bilden.
Sensorvorrichtung (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei der eine Porosität der diffusionsbegrenzenden Abdeckschicht (108) so ausgebildet ist, dass sowohl ein Austreten des Gases (1 18) aus der diffusionsbegrenzenden Abdeckschicht (108) als auch ein Eindringen eines weiteren Gases (126) in die diffusionsbegrenzende Abdeckschicht (108) gehemmt ist.
Sensorvorrichtung (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, mit einer Einrichtung (204) zum Anlegen einer Pumpspannung oder eines Pumpstroms zum Pumpen von Ionen des Gases (1 18) von der
Messelektrode (102) durch den Elektrolyten (106) zu der Referenzelektrode (104) und/oder zum Abgreifen einer zwischen der Messelektrode (102) und der Referenzelektrode (104) anliegenden Messspannung, um das Gas (1 18) zu erfassen.
Sensorsystem (200), mit einer Sensorvorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 und einer Gasgemischkammer (202), wobei die
Sensorvorrichtung (100) in der Gasgemischkammer (202) angeordnet ist und die Gasgemischkammer (202) ausgebildet ist, um das Gasgemisch (1 10) entlang der Messelektrode (102) und der diffusionsbegrenzenden Abdeckschicht (108) der Sensorvorrichtung (100) zu leiten.
10. Verfahren (300) zum Erfassen eines Gases (1 18) in einem Gasgemisch (1 10) mit einer Sensorvorrichtung (100), die eine Messelektrode (102) mit einer Messoberfläche (1 1 1 ), eine Referenzelektrode (104), einen zwischen der Messelektrode (102) und der Referenzelektrode (104) angeordneten Elektrolyten (106) und eine diffusionsbegrenzende Abdeckschicht (108) aufweist, wobei die diffusionsbegrenzende Abdeckschicht (108) so auf einer von dem Elektrolyten (106) abgewandten Oberfläche (1 12) der
Referenzelektrode (104) angeordnet ist, dass eine innere Oberfläche (1 14) der Abdeckschicht (108) die Referenzelektrode (104) kontaktiert und eine äußere Oberfläche (1 16) der Abdeckschicht (108) zum In-Kontakt-Kommen mit dem Gasgemisch (1 10) ausgebildet ist, und wobei das Verfahren (300) die folgenden Schritte aufweist:
Leiten (302) des Gasgemisches (1 10) entlang der Sensorvorrichtung (100), um die Messoberfläche (1 1 1 ) der Messelektrode (102) mit dem Gasgemisch (1 10) in Kontakt zu bringen;
Anlegen (304) einer Pumpspannung zwischen der Messelektrode (102) und der Referenzelektrode (104), um Ionen des Gases (1 18) von der
Messelektrode (102) zu der Referenzelektrode (104) zu pumpen; und
Abgreifen (306) einer zwischen der Messelektrode (102) und der
Referenzelektrode (104) anliegenden Messspannung, um das Gas (1 18) zu erfassen.
1 1 . Steuergerät, das ausgebildet ist, um die Schritte eines Verfahrens (300) gemäß Anspruch 10 durchzuführen.
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