DE10045216B4 - gas sensor - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Gassensor zur Bestimmung von Gaskomponenten und/oder Konzentrationen von Gasbestandteilen in Gasgemischen, insbesondere in Abgasen von Verbrennungsmotoren, vorgeschlagen, der eine dem Gasgemisch ausgesetzte Messelektrode (1, 10, 21) und eine Referenzelektrode (2, 11, 24) aufweist, wobei in einem Messbetriebszustand des Gassensors der elektrische Strom oder die elektrische Spannung zwischen Referenzelektrode (2, 11, 24) und Messelektrode (1, 10, 21) mit einer ersten Messeinrichtung (7) bestimmbar ist. Weiter ist eine Schaltung (6, 28) zum Umschalten von dem Messbetriebszustand in einen zweiten Betriebszustand und eine mit der Schale (5, 27) vorgesehen, die in dem zweiten Betriebszustand die Messelektrode (1, 10, 21) gegenüber der Referenzelektrode (2, 11, 24) mit einer elektrischen Spannung beaufschlagt.A gas sensor is proposed for determining gas components and / or concentrations of gas components in gas mixtures, in particular in exhaust gases from internal combustion engines, which has a measuring electrode (1, 10, 21) exposed to the gas mixture and a reference electrode (2, 11, 24), wherein the electrical current or the electrical voltage between the reference electrode (2, 11, 24) and measuring electrode (1, 10, 21) can be determined with a first measuring device (7) in a measuring operating state of the gas sensor. There is also a circuit (6, 28) for switching from the measuring operating state to a second operating state and one with the shell (5, 27) which, in the second operating state, connects the measuring electrode (1, 10, 21) with respect to the reference electrode (2, 11, 24) subjected to an electrical voltage.

Description

Die Erfindung betrifft einen Gassensor zur Bestimmung von Gaskomponenten und/oder Konzentrationen von Gasbestandteilen in Gasgemischen nach der Gattung des Hauptanspruches.The invention relates to a gas sensor for the determination of gas components and / or concentrations of gas components in gas mixtures according to the preamble of the main claim.

Stand der TechnikState of the art

Aus EP 0 257 842 A2 ist ein elektrochemischer NOx-Gassensor bekannt, bei dem die Messelektrode aus Metalloxiden bzw. Mischoxiden besteht. Derartige Gassensoren mit einer sogenannten Mischpotentialelektrode mit Metalloxiden sind insbesondere zur Detektion von Kohlenwasserstoffen, Ammoniak, Kohlenmonoxid oder auch Stickoxiden geeignet.Out EP 0 257 842 A2 An electrochemical NO x gas sensor is known in which the measuring electrode consists of metal oxides or mixed oxides. Such gas sensors with a so-called mixed potential electrode with metal oxides are particularly suitable for the detection of hydrocarbons, ammonia, carbon monoxide or nitrogen oxides.

Bei Betrieb solcher Sensoren tritt das Problem auf, dass die eingesetzten Mischoxide bzw. Metalloxide reduktionsempfindlich sind, und sich in Gegenwart eines reduzierenden Gases in ihrer chemischen Struktur und damit in ihrer Funktionsweise verändern, was schließlich auch zum Ausfall des Sensors führen kann. Insofern eignen sie sich besonders zur Analyse von sauerstoffreichen, d. h. mageren Abgasen in Verbrennungsmotoren. Unter einem mageren Abgas wird dabei in bekannter Weise ein Abgas verstanden, das einen λ-Wert > 1 aufweist.When operating such sensors, the problem arises that the mixed oxides or metal oxides used are sensitive to reduction, and change in the presence of a reducing gas in their chemical structure and thus in their operation, which may eventually lead to failure of the sensor. In this respect, they are particularly suitable for the analysis of oxygen-rich, d. H. lean exhaust gases in internal combustion engines. Under a lean exhaust gas is understood in a known manner, an exhaust gas having a λ value> 1.

Obwohl Gassensoren auf Basis von Metalloxiden bzw. Mischoxiden in der Regel in mageren Abgasen eingesetzt werden, ist nicht auszuschließen bzw. sogar zu erwarten, dass der Gassensor zumindest kurzzeitig auch einem fetten Abgas, d. h. einem Abgas mit λ ≤ 1 ausgesetzt ist. Ein solcher, insbesondere kurzzeitiger Wechsel von einem mageren Abgas zu einem fetten Abgas tritt insbesondere bei benzindirekteinspritzenden Motoren vielfach auf.Although gas sensors based on metal oxides or mixed oxides are generally used in lean exhaust gases, it can not be ruled out or even expected that the gas sensor will at least temporarily also be exposed to a rich exhaust gas, i. H. is exposed to an exhaust gas with λ ≤ 1. Such, in particular short-term change from a lean exhaust gas to a rich exhaust gas occurs in many cases in gasoline direct injection engines in many cases.

Geeignete Mischoxide bzw. Metalloxide für die erläuterten Gassensoren sind im Übrigen in DE 197 34 861 C2 ausführlich beschrieben.Incidentally, suitable mixed oxides or metal oxides for the illustrated gas sensors are in DE 197 34 861 C2 described in detail.

Aus der DE 36 27 799 C2 ist ein Sensorelement mit einem rohrförmigen, einseitig geschlossenen Festelektrolyten bekannt. Das Sensorelement umfasst eine Messelektrode, die dem Gasgemisch ausgesetzt ist, und eine Referenzelektrode, die in Kontakt zu einem Referenzgas steht. Die elektrische Spannung zwischen der Messelektrode und der Referenzelektrode ist in einem Messbetriebszustand mit einer ersten Messeinrichtung bestimmbar. Es ist eine Schaltung vorgesehen, mit der vom Messbetriebszustand in einen zweiten Betriebszustand umgeschaltet werden kann. Im zweiten Betriebszustand wird die Messelektrode gegenüber der Referenzelektrode mittels einer Spannungsquelle mit einer elektrischen Spannung beaufschlagt, um Alterungserscheinungen der Messzelle entgegenzuwirken.From the DE 36 27 799 C2 is a sensor element with a tubular, one-sided closed solid electrolyte known. The sensor element comprises a measuring electrode, which is exposed to the gas mixture, and a reference electrode, which is in contact with a reference gas. The electrical voltage between the measuring electrode and the reference electrode can be determined in a measuring operating state with a first measuring device. A circuit is provided with which it is possible to switch from the measuring operating state to a second operating state. In the second operating state, the measuring electrode is subjected to an electrical voltage with respect to the reference electrode by means of a voltage source in order to counteract the aging phenomena of the measuring cell.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung war die Bereitstellung eines Gassensors, der durch unerwünschte Reduktionsreaktionen an der Messelektrode aufgrund eines insbesondere kurzzeitig anliegenden fetten Abgases nicht geschädigt bzw. in seiner Funktion nicht beeinträchtigt wird.Object of the present invention was to provide a gas sensor, which is not damaged by undesirable reduction reactions at the measuring electrode due to a particular short-term rich fat exhaust gas and is not impaired in its function.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Der erfindungsgemäße Gassensor hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass er auch bei insbesondere kurzzeitigem Auftreten eines Messgases bzw. eines Abgases mit einem λ-Wert ≤ 1 nicht durch eine unerwünschte Reduktionsreaktion an der Messelektrode geschädigt oder danach bei Auftreten eines wieder mageren Abgases in seiner Funktion beeinträchtigt wird. Insofern eignet er sich auch zum Einsatz in kurzzeitig fetten Abgasen und damit insbesondere zum Einsatz in der Abgasanalyse von benzindirekteinspritzenden Motoren.The gas sensor according to the invention has the advantage over the prior art that it is not damaged by an undesirable reduction reaction at the measuring electrode even when a sample gas or an exhaust gas having a λ value ≦ 1 occurs, or when a lean exhaust gas occurs again its function is impaired. In this respect, it is also suitable for use in short-term rich exhaust gases and thus in particular for use in the exhaust gas analysis of gasoline direct injection engines.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen.Advantageous developments of the invention will become apparent from the measures mentioned in the dependent claims.

So ist besonders vorteilhaft, wenn die Messelektrode in Form eines Metalloxides oder eines Gemisches mit Metalloxiden (Mischoxiden) ausgeführt ist. Bevorzugte Metalloxide sind Nickeloxid, Ceroxid, Lanthanoxid, Kobaltoxid, Perovskite oder sonstige elektrisch leitfahige Spinelle der allgemeinen Formel ABB'O4 oder elektrisch leitfähige Pseudobrookite der allgemeinen Formel ABB'O5, wie sie insbesondere aus DE 197 34 861 C2 bekannt sind, sowie auch Mischungen daraus.It is particularly advantageous if the measuring electrode is designed in the form of a metal oxide or a mixture with metal oxides (mixed oxides). Preferred metal oxides are nickel oxide, cerium oxide, lanthanum oxide, cobalt oxide, perovskites or other electrically conductive spinels of the general formula ABB'O 4 or electrically conductive pseudobrookites of the general formula ABB'O 5 , in particular from DE 197 34 861 C2 are known, as well as mixtures thereof.

Weiter ist vorteilhaft, dass über den erfindungsgemäßen Gassensor bei konventionellem Messbetrieb, d. h. im Messbetriebszustand mit λ > 1, zur Gasanalyse zunächst wie üblich zwischen der Messelektrode und der dem zu messenden Gasgemisch oder einem Referenzgas ausgesetzten Referenzelektrode ein Messsignal in Form eines elektrischen Stromes oder einer elektrischen Spannung aufgenommen wird, und dass in dem Fall, dass das Gasgemisch einen λ-Wert ≤ 1 aufweist, durch den Umschalter und die vorgesehene Spannungsquelle zwischen Messelektrode und Referenzelektrode eine elektrische Spannung aufgeprägt wird, die so gepolt ist, dass an der Referenzelektrode ein ausreichendes negatives Potential anliegt, wahrend an der Messelektrode ein entsprechend positives Potential anliegt („Schutzbetrieb”).It is also advantageous that the gas sensor according to the invention in conventional measuring operation, d. H. in the measurement mode with λ> 1, for gas analysis, first as usual between the measuring electrode and the gas mixture to be measured or a reference gas exposed reference electrode, a measurement signal in the form of an electric current or voltage is recorded, and that in the case that the gas mixture λ value ≦ 1, by the switch and the intended voltage source between the measuring electrode and the reference electrode, an electrical voltage is impressed, which is poled so that at the reference electrode is applied a sufficient negative potential, while at the measuring electrode, a correspondingly positive potential is applied (" protection mode ").

In diesem zweiten Betriebszustand mit λ ≤ 1 wird somit bei Einsatz eines sauerstoffionenleitenden Festelektrolyten zwischen Messelektrode und Referenzelektrode Sauerstoff oder Wasser an der Referenzelektrode zu Sauerstoffionen reduziert, während sich aufgrund der aufgeprägten elektrischen Spannung an der Messelektrode molekularer Sauerstoff entwikkelt. Diese Sauerstoffentwicklung und das aufgeprägte positive Potential führen an der Messelektrode insgesamt zu einer Stabilisierung des dort vorliegenden Metalloxides bzw. Mischoxides und verhindern dessen Reduktion, beispielsweise zu niedrigeren Oxidationsstufen.In this second operating state with λ ≦ 1, oxygen or water at the reference electrode is thus reduced to oxygen ions when using an oxygen ion-conducting solid electrolyte between the measuring electrode and the reference electrode, while due to the impressed electrical Voltage at the measuring electrode molecular oxygen develops. This oxygen evolution and the impressed positive potential lead to a total stabilization of the metal oxide or mixed oxide present there at the measuring electrode and prevent its reduction, for example to lower oxidation states.

Der vorgeschlagene Gassensor mit einer Einrichtung zum Wechsel zwischen Messbetriebszustand und zweitem Betriebszustand in Form eines „Schutzbetriebes” zum Schutz der Messelektrode vor Reduktion kann sowohl bei bekannten Zweielektrodenanordnungen als auch bei bekannten Dreielektrodenanordnungen eingesetzt werden.The proposed gas sensor with a device for switching between measuring operating state and second operating state in the form of a "protective operation" to protect the measuring electrode from reduction can be used both in known two-electrode arrangements and in known three-electrode arrangements.

In einer üblichen Zweielektrodenanordnung erfolgt dabei die Umschaltung zwischen Messbetrieb und zweitem Betriebszustand vorzugsweise dann, wenn abschätzbar ist, dass fettes oder stöchiometrisches Abgas auftreten wird.In a conventional two-electrode arrangement, the switching between measuring mode and second operating state preferably takes place when it can be estimated that rich or stoichiometric exhaust gas will occur.

In einer Dreielektrodenanordnung ist diese Abschätzung nicht erforderlich, da stets die Möglichkeit zur Messung des konkreten λ-Wertes gegeben ist, so dass aufgrund dieser Messung eine Umschaltung zwischen Messbetriebszustand und zweitem Betriebszustand, d. h. Schutzbetrieb, erfolgen kann.In a three-electrode arrangement, this estimation is not necessary since there is always the possibility of measuring the specific λ value, so that, as a result of this measurement, a changeover between measuring operating state and second operating state, ie. H. Protection operation, can be done.

Die Messung des jeweiligen λ-Wertes erfolgt im Übrigen bevorzugt wie üblich zwischen der Messelektrode und einer Gegenelektrode, die voneinander über einen sauerstoffionenleitenden Festelektrolyten getrennt sind.Incidentally, the measurement of the respective λ value preferably takes place, as usual, between the measuring electrode and a counterelectrode, which are separated from one another by an oxygen ion-conducting solid electrolyte.

Zeichnungendrawings

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die 1a zeigt ein erstes Ausfuhrungsbeispiel in Form eines Gassensors mit Zweielektrodenanordnung mit einer zugeordneten elektrischen Schaltung, die 1b erläutert ein zweites Ausführungsbeispiel eines solchen Gassensors, und die 2 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel in Form eines Gassensors mit Dreielektrodenanordnung mit einer zugehörigen elektrischen Verschaltung.The invention will be explained in more detail with reference to the drawings and the description below. The 1a shows a first exemplary embodiment in the form of a gas sensor with two-electrode arrangement with an associated electrical circuit, the 1b illustrates a second embodiment of such a gas sensor, and the 2 shows a third embodiment in the form of a gas sensor with three-electrode arrangement with an associated electrical interconnection.

AusfuhrungsbeispieleExemplary embodiments

Das gemaß 1a erläuterte Ausfuhrungsbeispiel geht zunachst von einem Gassensor mit Zweielektrodenanordnung aus, wie er aus der Analyse von Abgasen von Verbrennungsmotoren (λ-Sonde) vielfach bekannt ist. Dabei ist vorgesehen, dass auf einem sauerstoffionenleitenden Festelektrolyten 3 eine flächige Messelektrode 1 in Form einer Mischoxidelektrode mit Metalloxiden aufgebracht ist. Auf der der Messelektrode 1 gegenüberliegenden Seite des Elektrolyten 3 ist weiter eine Referenzelektrode 2 angeordnet, die über einen Kanal 4 mit einem Referenzgas, beispielsweise Luft oder Sauerstoff, in Verbindung steht. Die Messelektrode 1, die Referenzelektrode 2 und der Festelektrolyt 3 befinden sich dabei im Bereich der Abgasseite 30 des Gassensors, wahrend der Kanal 4 mit der Luftseite 40 des Gassensors in Verbindung steht. Weiter ist gemäß 1a vorgesehen, dass die Messelektrode 1 und die Referenzelektrode 2 über eine erste Messeinrichtung 7 elektrisch leitend miteinander verbunden sind.The measured 1a explained exemplary embodiment is initially based on a gas sensor with two-electrode arrangement, as it is widely known from the analysis of exhaust gases from internal combustion engines (λ probe). It is envisaged that on an oxygen ion-conducting solid electrolyte 3 a flat measuring electrode 1 is applied in the form of a mixed oxide electrode with metal oxides. On the measuring electrode 1 opposite side of the electrolyte 3 is still a reference electrode 2 arranged over a canal 4 with a reference gas, such as air or oxygen, is in communication. The measuring electrode 1 , the reference electrode 2 and the solid electrolyte 3 are located in the area of the exhaust side 30 the gas sensor, while the channel 4 with the air side 40 the gas sensor is connected. Next is according to 1a provided that the measuring electrode 1 and the reference electrode 2 via a first measuring device 7 electrically conductively connected to each other.

Sofern die Messelektrode 1 auf der Abgasseite 30 einem Abgas mit λ > 1 ausgesetzt ist, wird zwischen der Messelektrode 1 und der Referenzelektrode 2 zunächst über die erste Messeinrichtung 7 ein Strom oder eine Spannung abgegriffen bzw. gemessen, aus der der aktuelle λ-Wert des Abgases bestimmbar ist.If the measuring electrode 1 on the exhaust side 30 is exposed to an exhaust gas with λ> 1, is between the measuring electrode 1 and the reference electrode 2 initially via the first measuring device 7 tapped or measured a current or voltage from which the current λ value of the exhaust gas can be determined.

Weiterhin ist gemäß 1a vorgesehen, dass in den Stromkreis mit Messelektrode 1, Referenzelektrode 2 und erster Messeinrichtung 7 ein Umschalter 6 oder allgemein eine zum Umschalten geeignete elektrische Schaltung integriert ist, der oder die mit einer Spannungsquelle 5 verbunden ist. Über den Umschalter 6 wird in dem Fall, dass an der Messelektrode 1 insbesondere kurzzeitig ein fettes Abgas, d. h. ein Abgas mit λ ≤ 1 anliegt oder zu erwarten ist, von dem zunächst vorliegenden, gemäß 1a dargestellten Messbetriebszustand in einen zweiten Betriebszustand, einen sogenannten „Schutzbetrieb” umgeschaltet. Dies erfolgt dadurch, dass der Umschalter 6 beispielsweise über eine nicht dargestellte Steuereinheit umgelegt bzw. elektronisch betätigt wird, so dass die Messelektrode 1 und die Referenzelektrode 2 mit der Spannungsquelle 5 verbunden werden, wobei die Messelektrode 1 ein gegenüber der Referenzelektrode 2 positives Potential aufweist. Auf diese Weise wird bei ausreichend dimensionierter Spannung eine Polarisierung der Messelektrode 1 gegenüber der Referenzelektrode 2 erreicht, was zu einer Sauerstoffentwicklung an der Messelektrode 1 und damit zu einem Schutz der Messelektrode 1 vor Reduktion führt. Die mittels der Spannungsquelle 5 anzulegende Polarisationsspannung richtet sich dabei nach den Reduktions- bzw. Oxidationspotentialen der einzelnen Metalloxide bzw. des Mischoxides der Messelektrode 1, sowie nach der Zusammensetzung des anliegenden Abgases bzw. der Tiefe der Anfettung des Abgases.Furthermore, according to 1a provided that in the circuit with measuring electrode 1 , Reference electrode 2 and first measuring device 7 a switch 6 or, in general, an electrical circuit suitable for switching is integrated, the one or more with a voltage source 5 connected is. About the switch 6 is in the case that at the measuring electrode 1 in particular, a rich exhaust gas, ie an exhaust gas with λ ≤ 1 is present or is to be expected, from the first present, according to 1a shown measuring operating state in a second operating state, a so-called "protection mode" switched. This is done by the switch 6 for example, is transferred or electronically actuated via a control unit, not shown, so that the measuring electrode 1 and the reference electrode 2 with the voltage source 5 be connected, the measuring electrode 1 one opposite the reference electrode 2 has positive potential. In this way, when the voltage is sufficiently large, the polarity of the measuring electrode becomes high 1 opposite the reference electrode 2 achieved, leading to an evolution of oxygen at the measuring electrode 1 and thus to a protection of the measuring electrode 1 before reduction leads. The means of the voltage source 5 polarization voltage to be applied depends on the reduction or oxidation potentials of the individual metal oxides or of the mixed oxide of the measuring electrode 1 , As well as the composition of the adjacent exhaust gas or the depth of the enrichment of the exhaust gas.

Auf nähere Details zu der Funktionsweise des Gassensors in Zweielektrodenanordnung gemaß 1a sei hier verzichtet, da dessen Funktion, abgesehen von der vorgesehenen Umschaltung zwischen Messbetriebszustand und Schutzbetrieb, bekannt ist.For details on the operation of the gas sensor in two-electrode arrangement gemaß 1a be omitted here, since its function, apart from the intended switching between measuring mode and protective operation, is known.

Die 1b zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Gassensors, wobei abweichend von 1a sowohl die Messelektrode 10 als auch die Referenzelektrode 11 dem zu analysierenden Gasgemisch bzw. Abgas ausgesetzt ist. In diesem Fall befindet sich die Messelektrode 10 und die Referenzelektrode 11 auf einem Elektrolyten 12 in Form eines sauerstoffionenleitenden Festelektrolyten. In 1b ist weiter dargestellt, dass die Messelektrode 10 und die Referenzelektrode 11 jeweils über eine Leiterbahn 14 mit Anschlusskontaktflächen 15 in Verbindung stehen, und dass der Elektrolyt 12, die Leiterbahnen 14 und die Anschlusskontaktflächen 15 auf einem beispielsweise keramischen Substrat 13 wie Aluminiumoxid angeordnet sind.The 1b shows a second embodiment of the gas sensor according to the invention, wherein deviating from 1a both the measuring electrode 10 as well as the reference electrode 11 is exposed to the gas mixture or exhaust gas to be analyzed. In this case, the measuring electrode is located 10 and the reference electrode 11 on an electrolyte 12 in the form of an oxygen ion-conducting solid electrolyte. In 1b is further shown that the measuring electrode 10 and the reference electrode 11 each via a conductor track 14 with connection pads 15 communicate, and that the electrolyte 12 , the tracks 14 and the terminal contact surfaces 15 on a ceramic substrate, for example 13 as alumina are arranged.

In 1b besteht die Messelektrode 10 aus einem Mischoxid bzw. einem Gemisch von Metalloxiden, während die Referenzelektrode 11 beispielsweise aus Platin ausgefuhrt ist. Daneben ist auch in dem Ausführungsbeispiel gemäß 1b die Messelektrode 10 und die Referenzelektrode 11 analog der 1a mit der ersten Messeinrichtung 7, dem Umschalter 6 und der Spannungsquelle 5 verbunden, die in 1b nicht dargestellt sind.In 1b consists of the measuring electrode 10 from a mixed oxide or a mixture of metal oxides, while the reference electrode 11 for example, is made of platinum. In addition, in the embodiment according to 1b the measuring electrode 10 and the reference electrode 11 analogous to 1a with the first measuring device 7 , the switch 6 and the voltage source 5 connected in 1b are not shown.

Der Betrieb des Gassensors gemäß 1b erfolgt im Ubrigen völlig analog dem Gassensor gemäß 1a, d. h. auch dort sorgt der Umschalter 6 für eine Umschaltung des Betriebszustandes von Messbetriebszustand in den zweiten Betriebszustand, sofern ein Wechsel der Abgaszusammensetzung von magerem Abgas zu fetter Abgas und umgekehrt auftritt oder zu erwarten ist.Operation of the gas sensor according to 1b takes place otherwise completely analogous to the gas sensor according to 1a , ie also there provides the switch 6 for a changeover of the operating state from measuring operating state to the second operating state, if a change in the exhaust gas composition from lean exhaust gas to rich exhaust gas and vice versa occurs or is to be expected.

Wahrend in den Ausführungsbeispielen gemäß den 1a bzw. 1b der Wechsel des Betriebszustandes des Sensors (Übergang von λ > 1 zu λ ≤ 1) aufgrund externer Indikatoren erfolgen muss, die einen Übergang dieser beiden Betriebszustände detektieren oder nahelegen, wird in einem dritten Ausführungsbeispiel gemäß 2 ein Gassensor erläutert, mit dem sowohl der jeweilige λ-Wert des Abgases stets direkt messbar ist, als auch eine Umschaltung zwischen Messbetriebszustand und Schutzbetrieb zum Schutz der Messelektrode vor Reduktion möglich ist.While in the embodiments according to the 1a respectively. 1b the change of the operating state of the sensor (transition from λ> 1 to λ ≤ 1) must be due to external indicators that detect or suggest a transition of these two operating states, in a third embodiment according to 2 a gas sensor is explained, with which both the respective λ-value of the exhaust gas is always directly measurable, as well as a switch between the measurement mode and protective operation to protect the measuring electrode before reduction is possible.

Im Einzelnen ist gemäß 2 vorgesehen, dass sich auf einem sauerstoffionenleitenden Festelektrolyten 26 zunächst eine Gegenelektrode 23, beispielsweise aus Platin, befindet, auf der ein weiterer, sauerstoffionenleitender Festelektrolyt 22 in Form einer Schicht abgeschieden ist. Auf dem Elektrolyten 22 befindet sich dann eine Messelektrode 21, die analog der Messelektrode 1 bzw. 10 gemäß 1a bzw. 1b ausgeführt ist. Insbesondere weist auch die Messelektrode 21 ein Metalloxid bzw. ein Mischoxid auf. Auf der der Gegenelektrode 23 gegenüberliegenden Seite des Festelektrolyten 26 befindet sich schließlich eine Referenzelektrode 24, die beispielsweise ebenfalls aus Platin ausgeführt ist, und die über einen Kanal 25 mit einem Referenzgas, insbesondere Luft, in Verbindung steht.In detail is according to 2 provided that on an oxygen ion-conducting solid electrolyte 26 first a counter electrode 23 , for example platinum, is located on top of another oxygen ion conducting solid electrolyte 22 deposited in the form of a layer. On the electrolyte 22 then there is a measuring electrode 21 , analogous to the measuring electrode 1 respectively. 10 according to 1a respectively. 1b is executed. In particular, the measuring electrode also has 21 a metal oxide or a mixed oxide. On the counter electrode 23 opposite side of the solid electrolyte 26 Finally there is a reference electrode 24 , which is also made of platinum, for example, and the one channel 25 with a reference gas, in particular air, in connection.

Die Elektrodenanordnung aus Messelektrode 21, Gegenelektrode 23 und Referenzelektrode 24 gemäß 2 befindet sich erneut auf der Abgasseite 30 des Gassensors, während das Referenzgas von der Luftseite 40 zugeführt wird.The electrode assembly of measuring electrode 21 , Counter electrode 23 and reference electrode 24 according to 2 is again on the exhaust side 30 the gas sensor, while the reference gas from the air side 40 is supplied.

Die insoweit an sich bekannte Dreielektrodenanordnung des Gassensors gemäß 2 ist weiter mit einer elektrischen Schaltung verschaltet, die im Weiteren erläutert wird.The extent known per se three-electrode arrangement of the gas sensor according to 2 is further connected to an electrical circuit, which will be explained below.

Zunächst ist dazu vorgesehen, dass die Gegenelektrode 23 und die Referenzelektrode 24 mit einer zweiten Messeinrichtung 29 verbunden sind, mit der eine Potentialmessung zwischen diesen beiden Elektroden zur Ermittlung des zeitabhängig gerade vorliegenden λ-Wertes des Abgases dem die Messelektrode 21 bzw. die Gegenelektrode 23 ausgesetzt ist, bestimmbar ist. Weiter zeigt 2, dass auch die Messelektrode 21 und die Gegenelektrode 23 mit einer ersten Messeinrichtung in Form eines Strommessgerätes oder eines Spannungsmessgerätes verbunden sind, so dass aus einem damit gemessenen Strom bzw. gemessenen Spannung eine Konzentration mindestens einer Gaskomponente in dem anliegenden Gasgemisch bzw. Abgas bestimmbar ist. Diese Gaskomponente ist beispielsweise ein Stickoxid, Kohlenmonoxid oder ein Kohlenwasserstoff.First, it is intended that the counter electrode 23 and the reference electrode 24 with a second measuring device 29 connected to the one potential measurement between these two electrodes for determining the time-dependent currently present λ value of the exhaust gas to the measuring electrode 21 or the counter electrode 23 exposed is determinable. Next shows 2 that also the measuring electrode 21 and the counter electrode 23 are connected to a first measuring device in the form of a current measuring device or a voltage measuring device, so that a concentration of at least one gas component in the adjacent gas mixture or exhaust gas can be determined from a current or measured voltage measured therewith. This gas component is for example a nitrogen oxide, carbon monoxide or a hydrocarbon.

Insofern dient die Elektrodenanordnung aus Messelektrode 21, Gegenelektrode 23 und erster Messeinrichtung der Bestimmung der Konzentration dieser Gaskomponente, während die Anordnung aus Gegenelektrode 23, Referenzelektrode 24 und zweiter Messeinrichtung 29 die Bestimmung des aktuellen λ-Wertes des Abgases leistet. Wird nun durch die zweite Messeinrichtung 29 festgestellt, dass der λ-Wert des Abgases von zuvor λ > 1 auf λ ≤ 1 fällt, so wird darüber, beispielsweise mittels einer nicht dargestellten Steuereinheit, ein Umschalter 28 betätigt, so dass die Messelektrode 21 und die Gegenelektrode mit einer Spannungsquelle 27 verbunden werden, die so gepolt ist, dass die Messelektrode 21 gegenüber der Gegenelektrode 23 auf einem ausreichend hohen positiven Potential liegt. Auf diese Weise wird verhindert, dass die Messelektrode 21 in diesem Betriebszustand geschädigt oder einer Reduktion unterworfen wird.In this respect, the electrode assembly serves as a measuring electrode 21 , Counter electrode 23 and first measuring device for determining the concentration of this gas component, while the arrangement of counterelectrode 23 , Reference electrode 24 and second measuring device 29 the determination of the actual λ-value of the exhaust gas makes. Now by the second measuring device 29 If it is determined that the λ value of the exhaust gas falls from previously λ> 1 to λ ≦ 1, a changeover switch, for example by means of a control unit (not shown), is formed above it 28 pressed so that the measuring electrode 21 and the counter electrode with a voltage source 27 be connected, which is poled so that the measuring electrode 21 opposite the counter electrode 23 is at a sufficiently high positive potential. In this way it prevents the measuring electrode 21 damaged or subjected to reduction in this operating condition.

Sofern der λ-Wert des Abgases, der weiter mit Hilfe der zweiten Messeinrichtung 29 bestimmt wird, wieder auf λ > 1 steigt, wird über die Steuereinheit dann durch erneute Betätigung des Umschalters 28 wieder auf den Messbetriebszustand umgeschaltet, d. h. es erfolgt wieder eine Messung der Spannung bzw. des Stromes zwischen Messelektrode 21 und Gegenelektrode 23 über die erste Messeinrichtung 7.If the λ value of the exhaust gas, the further using the second measuring device 29 is determined, again increases to λ> 1, is then via the control unit by re-pressing the switch 28 switched back to the measurement operating state, ie there is again a measurement of the voltage or the current between the measuring electrode 21 and counter electrode 23 about the first measuring device 7 ,

Claims (8)

Gassensor zur Bestimmung von Gaskomponenten und/oder Konzentrationen von Gasbestandteilen in Gasgemischen, insbesondere in Abgasen von Verbrennungsmotoren, mit einer dem Gasgemisch ausgesetzten Messelektrode und einer Referenzelektrode, wobei in einem Messbetriebszustand des Gassensors der elektrische Strom oder die elektrische Spannung zwischen Referenzelektrode und Messelektrode mit einer ersten Messeinrichtung bestimmbar ist, wobei eine Schaltung (6, 28) zum Umschalten von dem Messbetriebszustand in einen zweiten Betriebszustand und eine mit der Schaltung (6, 28) in Verbindung stehende Spannungsquelle (5, 27) vorgesehen ist, die in dem zweiten Betriebszustand die Messelektrode (1, 10, 21) gegenüber der Referenzelektrode (2, 11, 24) mit einer elektrischen Spannung beaufschlagt, dadurch gekennzeichnet, dass die Messelektrode (1, 10, 21) mindestens ein Metalloxid und/oder ein Mischoxid enthält oder daraus besteht, dass in dem Messbetriebszustand die Messelektrode (1, 10, 21) einem mageren Gasgemisch (λ > 1) ausgesetzt ist, und dass in dem zweiten Betriebszustand die Messelektrode (1, 10, 21) einem fetten Gasgemisch (λ ≤ 1) ausgesetzt ist.Gas sensor for determining gas components and / or concentrations of gas constituents in gas mixtures, in particular in exhaust gases of internal combustion engines, with a measuring electrode exposed to the gas mixture and a reference electrode, wherein in a measuring operating state of the gas sensor, the electric current or the voltage between the reference electrode and the measuring electrode with a first Measuring device is determinable, whereby a circuit ( 6 . 28 ) for switching from the measuring operating state to a second operating state and one with the circuit ( 6 . 28 ) related voltage source ( 5 . 27 ) is provided, which in the second operating state, the measuring electrode ( 1 . 10 . 21 ) with respect to the reference electrode ( 2 . 11 . 24 ) is subjected to an electrical voltage, characterized in that the measuring electrode ( 1 . 10 . 21 ) contains or consists of at least one metal oxide and / or a mixed oxide, that in the measuring operating state the measuring electrode ( 1 . 10 . 21 ) is exposed to a lean gas mixture (λ> 1), and that in the second operating state, the measuring electrode ( 1 . 10 . 21 ) is exposed to a rich gas mixture (λ ≦ 1). Gassensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messelektrode (1, 10, 21) reduktionsempfindliche Mischoxide von Metalloxiden wie Nickeloxid, Ceroxid, Lanthanoxid, Kobaltoxid, ein Perovskit oder sonstige elektrisch leitfähige Spinelle der allgemeinen Formel ABB'O4 oder elektrisch leitfähige Pseudobrookite der allgemeinen Formel ABB'O5 enthält oder daraus besteht.Gas sensor according to claim 1, characterized in that the measuring electrode ( 1 . 10 . 21 ) reduction-sensitive mixed oxides of metal oxides such as nickel oxide, cerium oxide, lanthanum oxide, cobalt oxide, a perovskite or other electrically conductive spinels of the general formula ABB'O 4 or electrically conductive pseudobrookites of the general formula ABB'O 5 contains or consists thereof. Gassensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messelektrode (1, 10, 21) dem Gasgemisch, insbesondere dem Abgas eines Verbrennungsmotors, und die Referenzelektrode (2, 11, 24) dem Gasgemisch oder einem Referenzgas, insbesondere Luft oder Sauerstoff ist.Gas sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the measuring electrode ( 1 . 10 . 21 ) the gas mixture, in particular the exhaust gas of an internal combustion engine, and the reference electrode ( 2 . 11 . 24 ) is the gas mixture or a reference gas, in particular air or oxygen. Gassensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messelektrode (1, 10, 21) und die Referenzelektrode (2, 11, 24) über einen sauerstoffionenleitenden Festelektrolyten (3, 12, 22) elektrisch miteinander in Verbindung stehen.Gas sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the measuring electrode ( 1 . 10 . 21 ) and the reference electrode ( 2 . 11 . 24 ) via an oxygen ion-conducting solid electrolyte ( 3 . 12 . 22 ) are electrically connected to each other. Gassensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gegenelektrode (23) vorgesehen ist, die mit der Messelektrode (1, 10, 21) und/oder der Referenzelektrode (2, 11, 24) über einen sauerstoffionenleitenden Festelektrolyten (3, 12, 22) elektrisch in Verbindung steht.Gas sensor according to one of the preceding claims, characterized in that a counterelectrode ( 23 ) provided with the measuring electrode ( 1 . 10 . 21 ) and / or the reference electrode ( 2 . 11 . 24 ) via an oxygen ion-conducting solid electrolyte ( 3 . 12 . 22 ) is electrically connected. Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsquelle (5, 27) derart geschaltet ist, dass in dem zweiten Betriebszustand die Messelektrode (1, 10, 21) gegenüber der Referenzelektrode (2, 11, 24) mit einer positiven elektrischen Spannung beaufschlagt ist.Gas sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the voltage source ( 5 . 27 ) is switched such that in the second operating state the measuring electrode ( 1 . 10 . 21 ) with respect to the reference electrode ( 2 . 11 . 24 ) is acted upon by a positive electrical voltage. Gassensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Messeinrichtung (29) vorgesehen ist, mit der eine elektrische Spannung zwischen Gegenelektrode (23) und Messelektrode (1, 10, 21) bestimmbar ist.Gas sensor according to claim 6, characterized in that a second measuring device ( 29 ) is provided, with an electrical voltage between the counter electrode ( 23 ) and measuring electrode ( 1 . 10 . 21 ) is determinable. Gassensor nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinheit vorgesehen ist, mit der aus der zwischen Gegenelektrode (29) und Messelektrode (1, 10, 21) bestimmten elektrischen Spannung der λ-Wert des Gasgemisches bestimmbar, und über die die Schaltung (6, 28) betätigbar ist, so dass für λ > 1 der Messbetriebszustand und für λ ≤ 1 der zweite Betriebszustand eingestellt ist.Gas sensor according to claim 6 or 7, characterized in that a control unit is provided, with the from between the counter electrode ( 29 ) and measuring electrode ( 1 . 10 . 21 ) determined certain electrical voltage of the λ value of the gas mixture, and via which the circuit ( 6 . 28 ) is operable, so that for λ> 1, the measurement operating state and for λ ≤ 1, the second operating state is set.
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