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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von bekannten Sensorelementen, welche auf innenleitenden Eigenschaften bestimmter Festkörper, also auf der Verwendung so genannter Festelektrolyte, basieren. Derartige Festelektrolyte können als keramische Festelektrolyte ausgestaltet sein. Die Festelektrolyte, welche grundsätzlich eine oder mehrere Ionenarten leiten können, sind sauerstoffionenleitende Festelektrolyte, insbesondere auf der Basis von Zirkoniumdioxid. Ferner können. Festelektrolyte wie Yttrium-stabilisiertes Zirkoniumdioxid (YSZ) und/oder Scandium-dotiertes Zirkoniumdioxid (ScSZ) verwendet werden. Sensorelemente auf der Basis keramischer Festelektrolyte werden beispielsweise in Robert Bosch GmbH: Sensoren im Kraftfahrzeug, Ausgabe 2007, Seiten 154–159 beschrieben. Die dort dargestellten Sensorelemente können auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung eingesetzt und modifiziert werden. Auch andere Sensorelemente sind jedoch grundsätzlich einsetzbar.
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Es sind Sensorelemente bekannt, die auf der Verwendung einer oder mehrerer so genannter Pumpzellen basieren. Beispielsweise Breitband-Lambdasonden arbeiten nach dem Grenzstromprinzip und können als Einzeller oder Mehrzeller aufgebaut sein. Bei derartigen Sensorelementen wird an mindestens einer Pumpzelle ein Pumpstrom als Funktion einer Pumpspannung oder eines Pumpstroms erfasst. Aus dem Pumpstrom wird auf einen Sauerstoffanteil in dem Gas geschlossen. Der Pumpstrom dient zur Regelung eines Lambdawerts in einer Zelle des Sensorelements auf ein konstantes Niveau. Auch alternative, prinzipiell gleichwertige Messprinzipien sind bekannt. Allgemein sind aus dem Stand der Technik beispielsweise einzellige Breitband-Lambdasonden bekannt, bei welchen eine Elektrode mittels einer Diffusionsbarriere, die eine Messkammer vorsieht, mit Abgas beaufschlagbar ist, wohingegen die andere Elektrode einer die Elektroden umfassenden Pumpzelle in einem Referenzkanal angeordnet ist. Neuere Sensortypen weisen dabei lediglich einen Referenzkanal mit einem kleinen Grenzstrom auf, welcher auch als Abluftkanal (ALK) bezeichnet wird. Daher werden Lambdasonden mit einer Hilfspumpelektrode ausgestattet, die den Messbereich erweitert, indem diese Hilfspumpelektrode bei entsprechender Ansteuerung eine zusätzliche Sauerstoffionenquelle bietet. Die Verwendung einer dadurch gebildeten Hilfspumpzelle für den Betrieb mit fettem und mit magerem Abgas, um zusätzlich Sauerstoffionen zu liefern, führt jedoch zu einer elektrischen Beeinflussung des zu erfassenden Stroms, der zur Kompensation der Diffusion durch die Diffusionsbarriere dient, und der den Lambdawert widergibt. Diese elektrische Beeinflussung beeinflusst daher die Messung und beeinträchtigt die Messgenauigkeit, unter anderem auch bei der Erfassung von Potentialen wie sie bei der Temperaturerfassung verwendet wird. Die elektrische Verknüpfung führt ferner dazu, dass unerwünschte ionische Pumpströme erzeugt werden, zusätzlich zu den gezielt zur Konzentrationsbeeinflussung verwendeten Pumpströmen. Maßnahmen zur Kompensation dieser Verschränkung sind jedoch mit aufwändigen Schaltungskonzepten verknüpft und führen nur zur eingeschränkten Genauigkeiten.
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Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Möglichkeit vorzusehen, um einen breiten Anwendungsbereich für Lambdasonden bei hoher Genauigkeit vorzusehen und geringem Schaltungsaufwand.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Lambdasonde und ein Verfahren zur Signalübertragung zwischen einer Lambdasonde und einer elektrischen Schnittstelle gemäß den unabhängigen Ansprüchen.
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Es wird erfindungsgemäß eine Trennschicht vorgesehen, die in der Lambdasonde vorgesehen ist, und die elektrisch und ionisch (insbesondere für Sauerstoffionen) isolierend ist, beispielsweise aus einer Keramik wie Al2O3. Es wurde erkannt, dass bei der aktiven Erzeugung von Pumpströmen und bei der passiven Erfassung von Potentialen (z. B. zur Messung einer Stoffkonzentration oder zur Temperaturerfassung der Lambdasonde) bei der Verwendung von mehreren Elektroden sich unerwünschte Strompfade bzw. Leitungswege (oder Pumpströme) innerhalb des gemeinsamen Festelektrolyten ergeben, die eine Messung oder einen Pumpvorgang überlagern. Als erfindungsgemäße Maßnahme, zur Unterdrückung der Effekte, die sich durch dieses Überlagern ergeben, wird eine Trennschicht innerhalb des Festelektrolyten eingesetzt, das die unerwünschte elektrische Querbeeinflussung unterbindet. Da die Beeinflussung sowohl auf Elektronenleitung als auch auf Ionenleitung basieren kann, ist der Festelektrolyt für beide Leitungsarten ein Isolator. Gleichzeitig ist die Trennschicht derart angeordnet, dass alle gewünschten Strompfade und Pumpströme ermöglicht sind, und nur die unerwünschten überlagernden Pumpströme durch die Isolation blockiert werden. Die erfindungsgemäße Anordnung wird durch eine zweigeteilte Elektrodenanordnung erreicht, die zwei Elektroden umfasst, die von der Trennschicht getrennt sind. Die Elektrodenanordnung ist vorzugsweise als Innenpumpelektrodenanordnung ausgestaltet und umfasst zwei Innenpumpelektroden. Die Innenpumpelektrodenanordnung ist in einer Messkammer ausgebildet. Die Messkammer ist in dem Festelektrolyten ausgebildet. Die Messkammer ist als Fluidkanal ausgebildet, der mit einem Abgaskanal über eine Diffusionsbarriere mit vorbekannter Durchlässigkeit verbunden ist.
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Der Fluidkanal, der die Messkammer ausbildet, weist ein offenes Ende und ein geschlossenes Ende innerhalb des Festelektrolyten auf. In der Messkammer wird durch eine geregelte Sauerstoffzufuhr oder -abfuhr mittels der Innenpumpelektrode (und gegebenenfalls einer Abgas- und/oder Abluftelektrode) ein konstanter Sauerstoffanteil vorgehalten, vorzugsweise ein Sauerstoffanteil, der lambda = 1 entspricht. Die Lambdasonde ermöglicht bei einem Konzentrationsunterschied zwischen dem Gas in der Messkammer und dem Abgas einen Austausch über die mindestens eine Diffusionsbarriere, wobei die Pumpelektrode(n) die Konzentration von Sauerstoff in der Messkammer durch Pumpen von Sauerstoffionen aufrechterhalten. Die Stärke des Ionenstroms, der zur Aufrechterhaltung des Sauerstoffanteils in der Messkammer notwendig ist, dient als Maß für den Konzentrationsunterschied des Abgases gegenüber der konstanten Konzentration in der Messkammer und somit für die Konzentration in dem Abgas.
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Die Trennschicht unterteilt den Festelektrolyten in (mindestens) zwei Abschnitte, wobei durch diese Unterteilung kein Ionenstrom (und kein auf Elektronen basierender Strom) zwischen den zwei Abschnitten möglich ist. Der eine Abschnitt umfasst eine Abluftelektrode, die als Ionensenke dient, insbesondere als Sauerstoffionensenke, zu der Sauerstoff von der Innenpumpelektrodenanordnung (d. h. von der ersten Elektrode der Innenpumpelektrodenanordnung) gepumpt werden kann, wenn das Abgas von einem mageren Kraftstoffgemisch stammt und Sauerstoff zur Aufrechterhaltung der vorgegebenen Konzentration in der Messkammer aus der Messkammer entfernt werden soll. Die Abluftelektrode wird hierzu gegenüber der ersten der beiden (durch die Trennschicht getrennten) Innenpumpelektroden mit Spannung oder Ströme beaufschlagen, beispielsweise durch Einprägen eines Stroms an der Abluftelektrode. Aufgrund der Trennschicht ergibt sich kein weiterer (störender) Strom zu einer Elektrode, die sich in der anderen Hälfte befindet; die Trennschicht schränkt den zwischen der ersten Innenpumpelektrode und der Abluftelektrode fließenden Ionenstrom auf die eine Hälfte ein, in der sich die erste Innenpumpelektrode und die Abluftelektrode befinden. Gemäß einem Aspekt der Erfindung teilt die Trennschicht die Messkammer auf, so dass sich die Trennfläche zwischen den beiden Abschnitten durch die Messkammer hindurch erstreckt.
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Der andere Abschnitt, in den die Trennschicht den Festelektrolyten unterteilt, weist eine Abgaselektrode auf, die in Kontakt mit dem anderen Abschnitt ist, und ist ionenleitend mit der Abgaselektrode verbunden. Der andere Abschnitt weist ferner die zweite Elektrode der Elektrodenanordnung auf, die von der Trennschicht getrennt ist. Die zweite Elektrode ist die zweite Innenpumpelektrode der Innenpumpelektrodenanordnung. Die zweite Innenpumpelektrode ist ionenleitend nur mit der Abgaselektrode verbunden, und ist von der ersten Innenpumpelektrode und von der Abgaselektrode durch die Trennschicht getrennt.
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Die Lambdasonde umfasst ferner einen Abgaskanal, der Verbrennungsabgase transportiert, wobei die Abgaselektrode (die auch funktionell als Hilfspumpelektrode bezeichnet wird) in dem Abgaskanal vorgesehen ist, vorzugsweise an einer Wand des Abgaskanals. Die Abgaselektrode ist mit einer Schutzschicht überzogen, um die Oberfläche der Abgaselektrode vor Ablagerungen bei einem fetten Abgasgemisch zu schützen. Die Schutzschicht bedeckt die Seite der Abgaselektrode vollständig, die dem Abgaskanals zugewandt ist. Die Abgaselektrode (d. h. die Hilfspumpelektrode) ist zur Zersetzung von Wasser oder anderen Fettgaskomponenten eingerichtet, um Sauerstoffionen zu gewinnen. Bei fettem Abgas an der Abgaselektrode diffundieren Fettgasmoleküle durch die Diffusionsbarriere. In diesem Fall werden Sauerstoffionen in die Messkammer gepumpt, die mit den dort hin nachströmenden Fettgasmolekülen abreagieren. Durch Einprägen eines Pumpstromes in die zweite Innenpumpelektrode (oder durch Aufprägen einer Pumpspannung) ergibt sich ein Sauerstoffionenstrom durch den anderen Abschnitt des Festelektrolyten von der Abgaselektrode zu der zweiten Innenpumpelektrode. Dadurch wird die Sauerstoffkonzentration in der Messkammer bei fettem Abgasgemisch konstant gehalten.
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Durch die Trennschicht ist dieser Ionenstrom zwischen Abgaselektrode und der zweiten Innenpumpelektrode von anderen Elektroden (erste Innenpumpelektrode und Abgaselektrode) getrennt.
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Bei magerem Abgas wird Sauerstoff aus der Messkammer transportiert, und bei fettem Abgas wird Sauerstoff in die Messkammer hinein transportiert, um den Stofftransport durch die Diffusionsbarriere hindurch zu kompensieren. Der Transport des Sauerstoffs zu oder von der Messkammer ist ein direktes Maß für den Lambdawert. Die Trennschicht unterbindet Überlagerungen des zu der Messkammer hin führenden Pumpstroms durch Komponente der Sonde, die zur Ausbildung eines von der Messkammer weg führenden Pumpstroms verwendet werden, wobei diese Komponenten insbesondere die erste Innenpumpelektrode und die Abluftelektrode umfassen. In gleicher Weise unterbindet die Trennschicht Überlagerungen des von der Messkammer weg führenden Pumpstroms durch Komponente der Sonde, die zur Ausbildung eines zu der Messkammer hin führenden Pumpstroms verwendet werden, wobei diese Komponenten insbesondere die erste Innenpumpelektrode und die Abluftelektrode umfassen. Insbesondere wird die Erzeugung eines Pumpstroms durch Elektroden in einem der Abschnitte nicht durch einen nicht erwünschten, überlagernden (ionischen) Stromfluss zu Elektroden in dem jeweils anderen Abschnitt überlagert. Daher sind die Pumpströme unmittelbar zur Sauerstoffkonzentrationserfassung nutzbar und präzise.
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Die Trennschicht trennt die beiden Innenpumpelektroden von einander, wobei jedoch beide Innenpumpelektroden gleichermaßen Zugang zur Messkammer haben und das dort vorliegende Gasgemisch beeinflussen können. Da zum Betrieb der Lambdasonde in allen Konzentrationsbereichen erfordert, dass Sauerstoff von der Messkammer entfernt und dieser zugeführt werden kann, muss die Innenpumpelektrodenanordnung in der Lage sein, ein gegenüber der Abgaselektrode (relatives) positives elektrisches Potential anzunehmen und ein (relatives) negatives elektrisches Potential anzunehmen. Bei einer Versorgungsspannung, die gegenüber Masse nur ein positives Potential liefert, führt dies bei bekannten Sonden zu Problemen, insbesondere zu einem hohen Schaltungsaufwand, wenn die Abgaselektrode auf einem festen Potential liegen soll (weil diese z. B. mit einem Heizeranschluss zusammen gelegt ist). Die Erfindung ermöglich jedoch durch die beiden von der Innenpumpelektrodenanordnung und der jeweiligen Gegenelektrode gebildeten Zellen einen Sauerstofftransport aus der Kammer heraus durch die erste Pumpzelle, die die Innenpumpelektrodenanordnung mit der Abluftelektrode als Gegenelektrode bildet, sowie einen Sauerstofftransport in die Kammer hinein, durch die zweite Pumpzelle, die die Innenpumpelektrodenanordnung mit der Abgaselektrode bildet. Diese Transportrichtungen werden bei beiden Zellen durch Anlegen einer positiven Spannung bzw. durch Einprägen eines positiven Stromes verursacht. Aus diesem Grund kann auch eine (ein- und dieselbe) Strom- oder Spannungsquelle dafür verwendet werden.
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Da eine Innenpumpelektrode und mindestens ein weiterer Anschluss innerhalb des Lambdasensors miteinander verbunden sein können, vorzugsweise über einen Leiter innerhalb des Festelektrolyten oder innerhalb oder an der Lambdasonde, werden die erste Innenpumpelektrode und der damit verbundene Anschluss (bzw. Anschlüsse) gemeinsam versorgt. Dadurch kann die Verkabelung deutlich vereinfacht werden. Der mit der ersten Innenpumpelektrode verbundene Anschluss ist vorzugsweise ein mit der Abgaselektrode verbundener Anschluss und/oder ein Anschluss des Heizelements, wobei vorzugsweise diese beiden Anschlüsse mit der ersten Innenpumpelektrode (über einen oder mehrere Leiter an oder in der Lambdasonde) verbunden sind. Der verbindende Leiter kann zumindest teilweise von einer Leiterbahn (auf der Trennschicht und/oder auf dem Festelektrolyten) vorgesehen sein, insbesondere wenn der Lambdasensor in einem Schichtaufbau vorgesehen ist.
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Die Innenpumpelektrodenanordnung weist zwei Innenpumpelektroden auf, die jeweils: einen elektrischen Anschluss aufweisen. Um, wie oben beschrieben, zu vermeiden, dass durch die Aufteilung der Innenpumpelektrodenanordnung in zwei Elektroden eine zusätzliche externe elektrische Verbindung erforderlich ist, wird eine der Innenpumpelektroden (vorzugsweise die erste) mit der Abgaselektrode verbunden, wobei diese elektrische Verbindung an oder in der Lambdasonde vorgesehen ist. Dadurch haben die erste Innenpumpelektrode und die Abgaselektrode einen gemeinsamen Anschluss, beispielsweise Masse. In Kombination hiermit kann die Abgaselektrode mit dem (negativen) Anschluss des Heizelements verbunden sein. Alternativ kann ein Anschluss des Heizelements mit der Abgaselektrode kombiniert bzw. verbunden werden). Das Heizelement ist vorzugsweise innerhalb des Festelektrolyten vorgesehen, insbesondere unterhalb des Abschnitts, der zwischen der Innenpumpelektrodenanordnung und der Abgaselektrode liegt.
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Es wird daher eine Elektrode der durch die Trennschicht geteilten Elektrodenanordnung mit mindestens einem weiteren Anschluss einer Komponente der Lambdasonde verbunden, wobei vorzugsweise diese Elektrode der Elektrodenanordnung und die weitere(n), hiermit verbundene(n) Komponente(n) der Lambdasonde (d. h. die Abgaselektrode, das Heizelement oder beide Komponenten) durch die Trennschicht getrennt sind. Die erfindungsgemäße Trennschicht kann in beliebigen festelektrolytbasierten Gassensoren verwendet werden, wobei vorzugsweise die Trennschicht eine Elektrodenanordnung in (mindestens) zwei Elektroden auftrennt, die an dem gleichen Gasraum angeordnet sind, bsp. eine Messkammer (abgeschlossen durch eine Diffusionsbarriere), ein Abgaskanal, ein Umgebungsluftkanal oder ähnliches.
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Die Erfindung wird daher realisiert durch eine Lambdasonde zur Erfassung eines Sauerstoffgehalts in einem Abgas, wobei die Lambdasonde eine Messkammer mit einer Innenpumpelektrodenanordnung, einen Abluftkanal mit einer Abluftelektrode und eine Abgaselektrode umfasst, wobei diese Elektroden und Elektrodenanordnungen in Kontakt mit einem Festelektrolyten ausgebildet sind. Die Innenpumpelektrodenanordnung ist in eine erste und eine zweite Innenpumpelektrode aufgeteilt ist. Zwischen den Innenpumpelektroden ist eine elektrisch und ionisch isolierende Trennschicht vorgesehen. Die erste Innenpumpelektrode ist auf einer Seite der Trennschicht vorgesehen, die von der Abgaselektrode abgewandt ist. Die zweite Innenpumpelektrode ist auf der dazu entgegengesetzten Seite der Trennschicht vorgesehen, die der Abgaselektrode zugewandt ist. Die Trennschicht teilt daher den Festelektrolyten in zwei Abschnitte auf, einen ersten Abschnitt mit der Abluftelektrode und der ersten Innenpumpelektrode, und einen zweiten Abschnitt mit der Abgaselektrode und der zweiten Innenpumpelektrode. Die Innenpumpelektroden werden mit unterschiedlichen Potentialen verbunden und ermöglichen so entgegengesetzte Pumpströme. Ferner trennt die Trennschicht alle Elektroden, die zur Erzeugung eines Pumpstroms in eine Richtung (d. h. zur Messkammer hin oder von dieser weg) verwendet werden, von Elektroden, die zur Erzeugung eines Pumpstroms in die dazu entgegengesetzte Richtung verwendet werden. Insbesondere wird die Abgaselektrode (und die zweite Innenpumpelektrode) von der ersten Innenpumpelektrode und von der Abluftelektrode durch die Trennschicht getrennt.
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Die erste Innenpumpelektrode ist über einen Leiter mit mindestens einem weiteren Anschluss elektrisch verbunden, wobei der Leiter vollständig an (oder in) der Lambdasonde vorgesehen ist. Der Leiter verläuft in oder auf dem Festelektrolyten. Insbesondere weisen die über den Leiter verbundenen Elektroden ein damit verbundenes gemeinsames elektrisches Verbindungselement der Lambdasonde auf. An das Verbindungselement lassen sich externe elektrische Leitungen anschließen, insbesondere eine äußere Schnittstelle.
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Die erste Innenpumpelektrode und mindestens ein weiterer Anschluss innerhalb des Lambdasensors sind über einen Leiter miteinander verbunden, wobei der mindestens eine Anschluss der Anschluss der Abgaselektrode oder der (vorzugsweise negative) Anschluss des Heizelements ist, oder die erste Innenpumpelektrode mit beiden Anschlüssen (d. h. der Abgaselektrode und des Heizelements) über den Leiter verbunden sind.
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Eine bevorzugte Ausführungsform, die einen vereinfachten elektrischen Anschluss der Lambdasonde mit einer externen Schaltung (d. h. mit einer externen Schnittstelle) ermöglicht, sieht vor, dass die erste Innenpumpelektrode über einen Leiter mit der Abgaselektrode elektrisch verbunden ist. Der Leiter verläuft vollständig an der Lambdasonde und verläuft in oder auf dem Festelektrolyten. Dadurch kann ein Verbindungsleiter zum externen Anschluss der Lambdasonde an eine Schnittstelle eingespart werden. Eine Möglichkeit einen weiteren (externen) Anschluss einzusparen besteht darin, die erste Innenpumpelektrode und/oder die Abgaselektrode auf diese Weise (d. h. mittels eines wie oben beschriebenen Leiters) mit einem Anschluss des Heizelement zusammenzuschalten.
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Eine weitere, ebenso in der 1 dargestellte, mögliche Ausführungsform der Erfindung, die sich auf die Anordnung der Trennschicht bezieht, sieht vor, dass die mindestens eine Trennschicht den Festelektrolyten in mindestens zwei Abschnitte unterteilt, die ionisch voneinander getrennt sind. Die Fläche verläuft durch die Messkammer hindurch und trennt die beiden Innenpumpelektroden voneinander. Die Trennschicht ist vorzugsweise eben und verläuft planparallel zu ebenen Schichten, die den Festelektrolyten und die Elektroden vorsehen. Die Elektroden können als Leiterbahnenschichten vorgesehen sein.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst die Lambdasonde ferner ein elektrisches Heizelement, das in dem Festelektrolyten auf der gleichen Seite der Trennschicht wie die Abgaselektrode vorgesehen ist. Das Heizelement erstreckt sich gegenüber der ersten Innenpumpelektrode und der Abluftelektrode und ist von diesen Elektroden durch die Trennschicht getrennt. Das Heizelement umfasst einen Anschluss, insbesondere einen negativen Anschluss, der vorzugsweise über einen Leiter an oder im Sensor mit der ersten Innenpumpelektrode (dauerhaft) verbunden ist. Weiterhin kann hiermit auch die Abgaselektrode verbunden sein.
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Eine schaltungsbezogene Ausführungsform der Erfindung sieht eine Lambdasonde vor, die ferner eine schaltbare Stromerzeugeranordnung umfasst. Die schaltbare Stromerzeugeranordnung ist mit der ersten Innenpumpelektrode und der Abluftelektrode verbunden ist, um einen ersten positiven Strom in die Abluftelektrode einzuprägen. Die Stromerzeugeranordnung ist ferner mit der Abgaselektrode und der zweiten Innenpumpelektrode verbunden, um einen zweiten positiven Strom in die Innenpumpelektrode einzuprägen, wobei die Stromerzeugeranordnung eingerichtet ist, den ersten und den zweiten Strom unabhängig voneinander zu steuern. Die Stromerzeugeranordnung kann eine Stromquelle oder eine Spannungsquelle umfassen, die über zwei Schalter oder über einen Wechselschalter individuell mit der Abluftelektrode und mit der zweiten Innenpumpelektrode verbunden ist. Die Schalter der Stromerzeugeranordnung sind vorzugsweise elektronisch steuerbare Schalter, beispielsweise Transistoren. Die Schalter können mit einer Ansteuerung verbunden sein, die ein Tastverhältnis vorsieht, das den Schließzustand und dessen Änderung der Schalter definiert. Die Stromerzeugeranordnung kann somit eine pulsweitenmodulierte Stromquelle oder Spannungsquelle sein. Die Stromerzeugeranordnung ist eingerichtet, entweder die zweite Innenpumpelektrode oder die Abluftelektrode mit einer Spannung oder einem Strom zu beaufschlagen, jedoch nicht beide Elektroden gleichzeitig. Ferner ist die Stromerzeugeranordnung eingerichtet, die zweite Innenpumpelektrode oder die Abluftelektrode oder keine dieser Elektroden mit einem Strom zu beaufschlagen. Da die Elektroden an einem Festelektrolyten vorgesehen sind, ist zwischen den Elektroden eine Impedanz vorgesehen, so dass das Anlegen einer Spannung zu einem Stromfluss führt, wie auch das Einprägen eines Stroms zu einem Stromfluss führt. Daher wird durch beide Ausführungen (Stromquelle oder Spannungsquelle) ein Strom erzeugt. Die Stromerzeugeranordnung kann ferner mindestens zwei individuell steuerbare Stromquellen oder Spannungsquellen aufweisen, wobei mindestens eine der Strom bzw. Spannungsquellen für eine Impedanzmessung mit einer definierten Anregung zur Messung einer Impedanz mindestens einer Zelle, insbesondere zur Bestimmung eines temperaturabhängigen Elektrolytwiderstands und/oder für die Versorgung der Abluftelektrode mit einem bestimmten Referenzpumpstrom vorgesehen sein kann. Insbesondere kann die Stromerzeugeranordnung durch mindestens eine Stromquelle vorgesehen sein, die über steuerbare Schalter mit den Elektroden verbunden ist, wobei die mindestens eine Stromquelle und die steuerbaren Schalter gemeinsam von einer integrierten Schaltung vorgesehen sein können, beispielsweise einem ASIC.
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Da die Stromerzeugeranordnung an Elektroden angelegt wird, zwischen denen ein endlicher Widerstand liegt, erzeugt eine Stromquelle als Stromerzeugeranordnung einen Strom, wie auch ebenso eine Spannungsquelle einen Strom erzeugt. Die Strom- oder Spannungsquelle kann als ideale oder reale Strom- oder Spannungsquelle vorgesehen sein, d. h. mit einem Parallelleitwert bzw. mit einem Innenwiderstand. Da ferner die Stromerzeugeranordnung als Spannungsquelle oder als Stromquelle ausgeführt sein kann und eine Spannung genauso wie einen Strom erzeugt, wird die Stromerzeugeranordnung auch als Strom- und/oder Spannungserzeugeranordnung bezeichnet.
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Die Erfindung kann ferner mittels eines Verfahrens realisiert sein. Die Erfindung betrifft daher ebenso ein Verfahren zur Signalübertragung zwischen einer Lambdasonde und einer elektrischen Schnittstelle. Die Signalübertragung für die eine Innenpumpelektrode ist getrennt von der Signalübertragung der anderen Innenpumpelektrode. Zwischen einer Innenpumpelektrodenanordnung in einer Messkammer der Lambdasonde und der elektrischen Schnittstelle werden unterschiedliche Signale übertragen, wobei die unterschiedlichen Signale voneinander getrennt zwischen der Schnittstelle und Innenpumpelektroden der Innenpumpelektrodenanordnung übertragen werden, vorzugsweise über getrennte Leiter. Die Innenpumpelektroden teilen unterschiedliche Signale mittels einer elektrisch und ionisch isolierenden Trennschicht auf, die zwischen den Innenpumpelektroden vorgesehen ist. Die Signalübertragung kann grundsätzlich in beide Richtungen vorgesehen sein. Die Signalübertragung kann vorgesehen sein durch Einprägen eines Stroms oder einer Spannung an einer der Elektroden (insbesondere an der zweiten Innenpumpelektrode und der Abluftelektrode), d. h. durch Überfragen eines Ansteuersignals von der Schnittstelle an die Elektroden, beispielsweise ein Ansteuersignal, das die Stellgröße eines Regelkreises zum Konstanthalten des Lambdawerts in der Messkammer darstellt. Die Signalübertragung wird ferner vorgesehen durch Übertragen eines Messsignals von mindestens einer der Elektroden an die Schnittstelle, um beispielsweise Messwerte von Stoffkonzentrationsmessungen oder Temperaturmessungen von den Elektroden an die Schnittstelle zu übertragen. Die Elektroden können insbesondere unterschiedliche katalytische Aktivität bei der Umwandlung eines zu erfassenden Stoffs aufweisen, so dass eine Stoffkonzentration anhand von unterschiedlichen Spannungspotentialen zwischen zwei Elektroden unterschiedlicher katalytischer Aktivität (durch einen Mischpotentialeffekt) erfasst werden kann. Insbesondere können die zweite Innenpumpelektrode oder die Abluftelektrode zur Detektion weiterer Stoffkonzentrationen, als Mischpotentialelektrode ausgeführt sein, wobei die Lambdasonde dadurch einen Sensor zur qualitativen oder quantitativen Erfassung eines Stoffs vorsieht.
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Die erste Innenpumpelektrode wird mittels eines verbindenden Leiters auf das gleiche Potential mit mindestens einem weiteren Anschluss gebracht, wobei dieser mindestens eine weitere Anschluss gebildet wird von einem Anschluss der Abluftelektrode, einem Anschluss des Heizelements, oder von beiden Anschlüssen. Die erste Innenpumpelektrode ist über den Leiter mit dem mindestens einen weiteren Anschluss verbunden, um das Potential anzugleichen. Zwischen der Schnittstelle und dem Leiter wird ein gemeinsames Spannungspotential der ersten Innenpumpelektrode und dem damit verbundenen Anschluss bzw. den damit verbundenen Anschlüssen übertragen. Die Übertragung findet insbesondere über ein gemeinsames elektrisches Verbindungselement der Lambdasonde statt, das mit dem Leiter verbunden ist.
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Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die Trennschicht einen Festelektrolyten der Lambdasonde in mindestens zwei Teile aufteilt. Ein Signal zwischen einer ersten der Innenpumpelektroden und der Schnittstelle wird. übertragen, und ein weiteres Signal wird zwischen einer zweiten der Innenpumpelektroden und der Schnittstelle übertragen. Die erste Innenpumpelektrode steht nur mit einem der beiden Teile des Festelektrolyten in Kontakt. Die zweite Innenpumpelektrode steht nur mit dem anderen der beiden Teile des Festelektrolyten in Kontakt. Dadurch ergeben sich zwei Abschnitte des Festelektrolyten, die von der Trennschicht getrennt sind, wobei einer der Abschnitte mit der ersten Innenpumpelektrode verbunden ist, und der andere Abschnitt mit der zweiten Innenpumpelektrode verbunden ist, so dass die Signalübertragung getrennt und frei von gegenseitigen Überlagerung durchgeführt wird.
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Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass das Übertragen von Signalen vorsieht, ein gemeinsames Spannungspotential zwischen der Schnittstelle einerseits und der ersten Innenpumpelektrode sowie einer weiteren Elektrode die voneinander durch die Trennschicht getrennt sind, andererseits, zu übertragen. Das Potential der ersten Innenpumpelektrode und der weiteren Elektrode (beispielsweise die Abgaselektrode) wird als ein gemeinsames Potential übertragen, insbesondere von der Schnittstelle an die Elektroden in Form eines Ansteuersignals. Die Trennschicht unterbindet einen Ionenstrom zwischen der ersten. Innenpumpelektrode und der Abgaselektrode und verhindert so eine unerwünschte Überlagerung.
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Gemäß einem weiteren Aspekt umfasst das Übertragen: Einprägen eines Stroms oder eines Spannungspotentials, der bzw. das an der elektrischen Schnittstelle anliegt, an der ersten Innenpumpelektrode, der zweiten Innenpumpelektrode oder an einer weiteren Elektrode der Lambdasonde. Die Trennschicht beschränkt den resultierenden Ionenstrom auf einen Ionenstromfluss zwischen einer der Innenpumpelektroden und einer weiteren Elektrode der Lambdasonde und isoliert diese Innenpumpelektrode von zumindest einer anderen Elektrode der Lambdasonde hinsichtlich des Ionenflusses. Ferner wird ein Potential zwischen der ersten Innenpumpelektrode oder der zweiten Innenpumpelektrode und der Schnittstelle übertragen. Die Trennschicht blockiert durch Unterdrücken eines ionischen oder elektrischen Stromflusses die Beeinflussung der ersten oder der zweiten Innenpumpelektrode durch weitere Elektroden des Lambdasensors. An der Schnittstelle wird ein Spannungspotential erfasst, um daraus Messwerte betreffend eine Stoffkonzentration oder eine Temperatur abzuleiten.
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Schließlich wird eine Ausführungsform vorgesehen, die verschiedene Betriebsmodi der Lambdasonde betrifft. Hierbei wird bei der Erfassung von magerem Abgas mittels einer Stromerzeugeranordnung zwischen der ersten Innenpumpelektrode und einer damit (über den Festelektrolyt) ionenleitend verbundenen Abluftelektrode ein Pumpstrom an der Abluftelektrode aufgeprägt. Mit diesem Pumpstrom werden Sauerstoffionen von der ersten Innenpumpelektrode aus der Messkammer herausgepumpt. Bei der Erfassung von fettem Abgas wird mittels der Stromerzeugeranordnung zwischen der zweiten Innenpumpelektrode und einer damit ionenleitend verbundenen Hilfspumpelektrode ein Pumpstrom an der zweiten Innenpumpelektrode aufgeprägt, mit dem Sauerstoffionen von der Hilfspumpelektrode in die Messkammer gepumpt werden können. Durch die Pumpströme wird eine Sauerstoffionenkonzentration auf ein vorgegebenes Niveau geregelt. Die Trennschicht unterbindet einen ionischen Nebenstrom zwischen der ersten Innenpumpelektrode und der Hilfspumpelektrode sowie zwischen der zweiten Innenpumpelektrode und der Abluftelektrode. Die Stärke der von der Stromerzeugeranordnung aufgeprägten Ströme gibt unmittelbar einen Lambdawert an, da keine Nebenströme bzw. unerwünschte Beeinflussungen von der Trennschicht unterbunden werden. Somit werden die beiden Pumprichtungen von der Trennschicht getrennt und es ergeben sich keine störenden Überlagerungen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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In den Figuren ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigt:
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1 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lambdasonde.
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Ausführungsbeispiel
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In 1 ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Lambdasonde dargestellt. Die Lambdasonde dient zur Erfassung eines Sauerstoffgehalts in einem Abgas. Eine Messkammer 10 der Lambdasonde ist durch einen Fluidkanal ausgebildet, der mit einer Diffussionsbarriere 14, die sich in dem Querschnitt des Kanals erstreckt, die Messkammer 10 ausbildet. Innerhalb der Messkammer 10 ist an einer Kanalinnenwand die zweiteilige Innenpumpelektrodenanordnung 12 vorgesehen. Die zweiteilige Innenpumpelektrodenanordnung 12 umfasst eine erste Innenpumpelektrode 12a und eine zweite Innenpumpelektrode 12b, wobei die erste Innenpumpelektrode 12a an einem oberen Abschnitt des Festkörperelektrolyts 70 ausgebildet ist und die zweite Innenpumpelektrode 12a an einem oberen Abschnitt des Festkörperelektrolyts 70 ausgebildet ist. Eine Trennschicht 40 unterteilt den Festkörperelektrolyten 70 in den oberen Abschnitt und den unteren Abschnitt. Die Trennschicht 40 ist für Elektronen und Ionen isolierend.
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Die Lambdasonde umfasst ferner einen Abluftkanal 20, der als ein weiterer Fluidkanal ausgebildet ist. Der geringe Querschnitt, d. h. die geringe lichte Weite des Abluftkanals 20, zusammen mit der im Vergleich hierzu deutlich größeren Länge, erzeugen einen gezielten, deutlichen Strömungswiderstand in Längsrichtung des Kanals 20. An einem Ende des Kanals, das der einer Öffnung des Kanals entgegengesetzt ist, ist eine Abluftelektrode 22 an der Innenseite des Abluftkanals 20 angeordnet, d. h. an dem oberen Abschnitt des Festkörperelektrolyts. Der Abluftkanal 20 ist durch ein Zwischenstück des Festelektrolyten 70 von der Messkammer 10 getrennt. Die Innenpumpelektrodenanordnung 12 ist an einem Ende der Messkammer 10 angeordnet, das der Abluftelektrode 22 zugewandt ist. Die Innenpumpelektroden 12a, b erstrecken sich in Längsrichtung der Messkammer (d. h. des Kanalabschnitts, der die Messkammer 10 ausbildet), und die Abluftelektrode erstreckt sich in Längsrichtung des Abluftkanals 20. Der Abluftkanal endet an einer Öffnung 15.
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Die Trennschicht 40 ist durchgehend und erstreckt sich über den gesamten Längsschnitt der Lambdasonde. Die Trennschicht 40 ist eben und weist Ausnehmungen auf, die die Messkammer 10 ausbilden sowie den Abluftkanal 20. Senkrecht zu der Ausnehmung, in. der die Messkammer 10 ausgebildet ist, erstreckt sich ein Kanal in dem Festelektrolyten senkrecht zur Erstreckung der Trennschicht 40, der mit der Ausnehmung verbunden ist, welche die Messkammer 10 ausbildet. Der Kanal endet an einer Öffnung 11, die an eine Abgasatmosphäre angeschlossen ist.
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Die Lambdasonde umfasst ferner eine mit einer Schutzschicht 30 überzogenen Abgaselektrode 32, die an einer Außenseite eines sauerstoffionenleitenden Festelektrolyten 70 ausgebildet ist, wobei in dem Festelektrolyten ebenso der Kanal 20 und die Messkammer 10 ausgebildet sind. Ferner ist in dem Festelektrolyten ein ohmsches Heizelement 16 mit Anschlüssen 17 und 19 ausgebildet, unterhalb des Abschnitts des Festelektrolyten 70, der zwischen Messkammer 10 und Kanal 20 bzw. Abluftelektrode 22 vorgesehen ist.
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Die Lambdasonde weist ferner eine Schaltung auf, die mit der Innenpumpelektrode 12, der Abluftelektrode 22 und der Abgaselektrode 32 verbunden ist. Die Schaltung umfasst eine Stromerzeugungsanordnung 50 mit einer ersten Stromquelle 52a und einer zweiten Stromquelle 52b. Die erste Stromquelle 52a ist an die Abgaselektrode 32 angeschlossen mit einem negativen Anschluss der Stromquelle 52a und weist einen positiven Anschluss auf, der an der zweiten Innenpumpelektrode 12b angeschlossen ist. Die zweite Innenpumpelektrode 12b ist über den Festelektrolyten mit der Abgaselektrode 32 verbunden und durch die Trennschicht 40 von der Abluftelektrode 22 und von der ersten Innenpumpelektrode 12a getrennt. Die Abgaselektrode 32 ist an eine interne oder externe Masse (oder an ein anderes Referenzpotential) angeschlossen. Somit ist auch der negative Anschluss der Stromquelle 52a mit Masse (interne oder externe Masse oder an ein anderes Referenzpotential) verbunden. Die zweite Stromquelle 52b ist an die erste Innenpumpelektrode 12a angeschlossen mit einem negativen Anschluss der Stromquelle 52b und weist einen positiven Anschluss auf, der an die Abluftelektrode 22 angeschlossen ist. Die erste Innenpumpelektrode 12a und die Abluftelektrode 22 sind über den Festelektrolyten 40, insbesondere über einen zwischen diesen Elektroden liegenden Abschnitt des Festelektrolyten verbunden, der eine Nernstzelle ausbildet. Die Verbindungen zwischen den Stromquellen 52a, b und sind lediglich symbolisch dargestellt, um die Funktionsweise der Vorrichtung klarzustellen. In gleicherweise Weise sind die Stromquellen 52a, b zur Darstellung der Funktionen einzeln schematisch dargestellt. Die symbolisch dargestellten Stromquellen 52a, b werden vorzugsweise mittels einer einzigen Stromquelle vorgesehen, die durch Schalter, insbesondere Wechselschalter, auf unterschiedliche Weise mit den Elektroden der Lambdasonde verbunden werden können. Da insbesondere die Abgaselektrode 32 mit der ersten Innenpumpelektrode 12a über die gestrichelt dargestellte elektrische Verbindung (Leiter 44) auf das gleiche Potential gelegt wird, um externe Verkabelungen einzusparen, wird die Verbindung zwischen Stromquelle 52b und erster Innenpumpelektrode 12a weggelassen. Dies erfordert eine gemeinsame Masse für die symbolischen Stromquellen 52a, b, die bei Ausführungsformen automatisch realisiert ist, wenn die beiden symbolischen Stromquellen 52a und b von einer Stromquelle mit entsprechender Verschaltung (Wechselschalter o. ä.) realisiert werden. Ferner kann eine Verbindung (nicht dargestellt) zwischen Leiter 44 und einem (Masse-)Anschluss des Heizelements 16 bestehen, d. h. mit den Anschlüssen 17 oder 19. Diese Verbindung kann ebenso wie der Leiter 44 ausgeführt sein. Dadurch wird ein gemeinsamer Masseanschluss für die Stromquelle(n), die Abgaselektrode 32 und das Heizelement vorgesehen, das von außen durch einen einzigen Leiter bzw. Anschluss kontaktiert werden kann.
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Die erste Innenpumpelektrode 12a und die Abluftelektrode 22 sind durch die Trennschicht 40 von der zweiten Innenpumpelektrode 12b und der Abgaselektrode 32 getrennt. Durch die Trennung kann zwischen der ersten Innenpumpelektrode 12a und der Abluftelektrode 22 eine Spannung bzw. ein Strom angelegt werden, der bzw. dem ein anderes Referenzpotential zugrunde liegt als der zweiten Innenpumpelektrode 12b und der Abgaselektrode 32. Es ist daher möglich, die Stromquellen 52a und 52b mit einem gemeinsamen Referenzpotential (oder Versorgungsspannung) zu betreiben, und die beiden Innenpumpelektroden 12a und 12b mit einem negativen Anschluss (Innenpumpelektrode 12a) oder mit einem positiven Anschluss (Innenpumpelektrode 12b) der Stromerzeugungsvorrichtung 50 anzusteuern.
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Je nach gewünschtem Pumpstrom können somit unterschiedliche Potentiale zwischen der Innenpumpelektrodenanordnung 12 einerseits und der Abluftelektrode 22 bzw. der Abgaselektrode 32) andererseits angelegt werden.
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Die erste Innenpumpelektroden 12a ist über einen Leiter 44 mit der Abgaselektrode 32 verbunden. Dadurch können die beiden Verbindungen der negativen Anschlüsse der Stromquellen 52a, b mit einem einzigen Leiter vorgesehen werden. Der Leiter 44 ist symbolhaft dargestellt und daher als gestrichelte Linie wiedergegeben. Die körperliche Ausgestaltung kann durch ein Draht, ein Kabel oder eine Leiterbahn (nicht dargestellt) vorgesehen sein. Weiterhin kann die erste Innenpumpelektrode 12a mit dem Anschluss 17 (oder 19) des Heizelements 16 über ein Leiter(nichtdargestellt) verbunden sein, alternativ zu der Verbindung zwischen der ersten Innenpumpelektrode 12a und der Abgaselektrode 32 oder in Kombination hiermit. Wenn die erste Innenpumpelektrode 12a, die Abgaselektrode 32 und ein Anschluss 17 oder 19 des Heizelements 16 mit einem gemeinsamen Leiter (an oder innerhalb der Sonde, nicht dargestellt) verbunden sind, können die der jeweiligen Verbindungen mit einem einzigen äußeren Leiter (Kabel o. ä.) vorgesehen werden.
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Der Festelektrolyt 70 ist von der Trennschicht 40 in zwei Abschnitte unterteilt, die jeweils als Schicht mit konstanter Dicke ausgebildet sind, wobei ebenso die Trennschicht 40 eine konstante Dicke aufweist. Die zwei Abschnitte und die Trennschicht 40 erstrecken sich entlang einer Ebene, die senkrecht zur Zeichenebene ist. Die Trennschicht umfasst einen Längsabschnitt 42 zwischen der ersten Innenpumpelektrode 12a und der Abluftelektrode 22, in dem sich die Trennschicht 40 vollständig zwischen den beiden Abschnitten des Festelektrolyten erstreckt. Die Trennschicht umfasst ferner einen Längsabschnitt 42' zwischen der Abluftelektrode 22 und der Öffnung 15 des Abluftkanals 20, in dem sich die Trennschicht 40 nur teilweise zwischen den beiden Abschnitten des Festelektrolyten erstreckt und ein offener Kanal zwischen Trennschicht 40 und dem Abschnitt des Festelektrolyten 70 verbleibt, an dem die erste Innenpumpelektrode 12a und die Abluftelektrode 22 ausgebildet sind. Zudem umfasst die Trennschicht 70 einen Längsabschnitt 42'' jenseits einer Ausnehmung in der Trennschicht, die den Kanal bildet, in dem die Messkammer 10 vorgesehen ist. In dem Längsabschnitt 42'' erstreckt sich die Trennschicht 40 vollständig zwischen den beiden Abschnitten des Festelektrolyten.
