DE3219610C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Grenzstrom-Sauerstoffkonzentrationsdetektor, mit einem Grenzstrom-Sauerstoffkonzentrationsfühler aus einem Sauerstoff-Ionen-Leiter, bei dem der Grenzstrom ein Maß für den Sauerstoffgehalt ist.

Aus der US-PS 44 72 262 ist bereits ein Grenzstrom-Sauer­ stoffkonzentrationsdetektor bekannt: Dieser Sauerstoff­ konzentrationsdetektor umfaßt einen Grenzstrom-Sauerstoff­ konzentrationsfühler aus einem Sauerstoff-Ionenleiter, wobei an der einen Fläche des Sauerstoff-Ionenleiters eine Kathode angeordnet ist, während an der gegenüberliegenden Fläche des Sauerstoff-Ionenleiters eine Anode angeordnet ist und die Kathode von einer Schicht bedeckt wird, durch die die Diffusion von Sauerstoffgas zur Kathode hin reguliert wird. Dem Sauerstoffkonzentrationsfühler wird entweder ein Strom oder eine Spannung zugeführt, um den Grenzstrom des Fühlers zu messen und um den Innenwiderstand des Fühlers zu messen. Der festgestellten Größe des Grenzstromes und des Innenwiderstandes des Fühlers wird eine Temperaturkompensationsgröße aufgedrückt, um die Beeinflussung des Detektors durch die von dem Fühler abgegebene Wärme zu kompensieren.

Gegenwärtig stehen verschiedene Arten von Verbrennungs­ einrichtungen, wie Kessel, die in Wärmekraftwerken installiert sind, Brennkraftmaschinen, die in Kraftfahrzeugen vorgesehen sind, u. ä. zur Verfügung, und dies sind Einrichtungen, die unter verschiedenen Gesichtspunkten für das moderne Gesellschaftsleben wesentlich sind. Diese Einrichtungen können jedoch, was beinahe unvermeidlich ist, eine beträchtliche Menge schädlicher Gase abgeben, was von der Voraussetzung bzw. Bedingung abhängt, unter welcher derartige Verbrennungseinrichtungen arbeiten, oder unter welchen die Verbrennung stattfindet. Ferner sind strenge Forderungen bezüglich der Entwicklung einer Verbrennungseinrichtung herausgekommen, welche einen geringeren Kraftstoffverbrauch haben.

Es wird angenommen, daß eine Verbrennung in einer Atmosphäre, die eine geringere Menge eines Kraft- oder Brennstoffes enthält (was nachstehend als "Luft-Brennstoffmischung oder mageres Gemisch" bezeichnet wird) möglicherweise wirksam ist, um den beiden Forderungen zu genügen, die Menge an schädlichen Gasen, die in Abgasen enthalten sind, und die Kraft- bzw. Betriebsstoffmenge zu verringern, die zur Erzeugung einer Energiemengeneinheit verwendet wird. Beispielsweise ist es allgemein bekannt, daß eine Luft-Brennstoffmischung oder ein mageres Gemisch vorzugsweise für einen Dieselmotor verwendet wird. Daher kann auch mit einer gewissen Hoffnung angenommen werden, daß ein mageres Gemisch auch für einen Vergasermotor verwendet werden könnte, um den vorstehenden Forderungen zu genügen.

Jedoch bewirkt ein Gemisch, das Kraftstoff und Luft in einem unerwünschten Verhältnis enthält, daß derartige Motoren eine beträchtliche Rußmenge ausstoßen, und/ oder es bewirkt ein Fehlzünden, so daß eine Luftverschmutzung durch Abgabe von Ruß oder von unverbranntem Kraftstoff oder ein weniger zufriedenstellender Verbrennungswirkungsgrad die Folge ist. Daher ist die Einstellung des optimalen Verhältnisses von Kraftstoff und Luft ein äußerst wichtiger Parameter, damit eine Ver­ brennungseinrichtung unter zufriedenstellenden Bedingungen arbeiten kann, unter welchen sich dann auch die erwartete Leistung ergibt. Hierbei ist es für jede Art Steuersystem wichtig, daß eine genaue und schnelle Feststellung eines zu steuernden Mischungsverhältnisses von Kraftstoff und Luft in einem mageren Gemisch, insbesondere die Sauerstoffkonzentration der Auspuffgase erfolgt, wesentlich für die Wirksamkeit des Steuersystems. Leider arbeitet keiner der herkömmlichen, derzeit verfügbaren Fühler für diese Zwecke zufriedenstellend. Beispielsweise arbeitet ein magnetischer Sauerstoffkonzentrationsdetektor wegen seiner ziemlich langsamen Ansprechgeschwindigkeit nicht zufriedenstellend, wenn er unter einer Bedingung verwendet wird, bei welcher der Detektor an einem Kraftfahrzeug angebracht ist. Ein Dichtefühler oder ein Wärmeleitfähigkeitsfühler arbeitet ebenfalls nicht zu­ friedenstellend, wenn er zur Steuerung einer Verbrennung eines Verbrennungsmotors verwendet wird, da seine Genauigkeit durch eine in einem Gas enthaltene Grenzmenge an Wasserstoff (H₂) nachteilig beeinflußt wird.

Eine der herkömmlichen Einrichtungen zum Feststellen einer Sauerstoffkonzentration ist ein Fühler, der zum Feststellen eines elektrischen Grenzstromes verwendbar ist, um eine Sauerstoffkonzentration in einem Gas zu analysieren (dieser Fühler wird nachstehend als "ein (elektrischer) Grenzstrom-Sauerstoffkonzentrations­ fühler" bezeichnet); dieser Fühler ist von den Erfindern der vorliegenden Anmeldung geschaffen und wurde in Japan durch die offengelegte Anmeldung No. Toku-Kai-Sho No. 52-72 286 der Öffentlichkeit zugänglich gemacht, in welcher die grundsätzliche Ausführung des elektrischen Grenzstrom-Sauerstoffkonzentrationsfühlers beschrieben ist. Ferner wurde von den Erfindern der vorliegenden Anmeldung noch ein weiterer elektrischer Grenzstrom-Sauer­ stoffkonzentrationsfühler erfunden, der unter der Anmeldungs-Nr. 55-2 23 677 (sh. Abstract 57-48 648 (A)) in Japan angemeldet ist und welcher eine Verbesserung der vorstehenden Ausführung darstellt oder eine verbesserte Ausführung eines elektrischen Grenzstrom-Sauerstoffkonzentrationsfühlers ist, dessen Kathode mit einer porösen Materialschicht bedeckt ist.

Jeder dieser Grenzstrom-Sauerstoffkonzentrationsfühler ist frei von verschiedenen Nachteilen, welche unvermeidlich bei den herkömmlichen Sauerstoffkonzentrationsdetektoren auftreten. Unter diesem Gesichtspunkt wird jeder dieser Grenzstrom-Sauerstoffkonzentrationsfühler als ein Sauerstoffkonzentrationsfühler mit einer ausgezeichneten Eigenschaft anerkannt. Realistisch betrachtet kann jedoch der vorstehend angeführte Grenzstrom-Sauerstoff­ konzentrationsfühler noch weiter verbessert werden. Es kommt ziemlich häufig vor, daß sich bei in Fahrzeugen untergebrachten Verbrennungsmotoren die Temperatur ihrer Auspuffgase in Abhängigkeit von den entsprechenden Be­ triebsbedingungen ändern. Folglich ist ein Grenzstrom- Sauerstoffkonzentrationsfühler erforderlich, um in einem verhältnismäßig breiten Temperaturbereich ein beständiges gleichbleibendes Betriebsverhalten zu haben, wenn er als ein Fühler für die Abgase von Motoren verwendet wird, bei welchen sich die Arbeitsweise bzw. die Betriebsgeschwindigkeit häufig ändert, wie z. B. bei in Fahrzeugen untergebrachten Motoren. Die derzeit verfügbaren Grenzstrom-Sauerstoffkonzentrationsfühler weisen jedoch zwei Nachteile auf, nämlich (1) daß sich der Innenwiderstand des Fühlers in Abhängigkeit von dessen Temperatur in einem großen Bereich ändert, und (2) daß sich die Beziehungen des elektrischen Grenzstromes gegenüber der Sauerstoffkonzentration infolge einer Temperaturänderung ändern; diese Nachteile ergeben dann zusammen einen Fehler beim Messen der Sauerstoffkonzentration.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, den Grenzstrom-Sauerstoffkonzentrationsdetektors der angegebenen Gattung derart zu verbessern, daß fehlerhafte Meßergebnisse aufgrund einer Änderung der Beziehung zwischen der Sauerstoffkonzentration gegenüber dem Grenzstrom wirksam verhindert werden können, die in Abhängigkeit von der Temperatur des Sauerstoffkonzentrationsfühlers auftreten können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichnungsteil des Anspruches 1 aufgeführten Merkmale gelöst.

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Grenzstrom- Sauerstoffkonzentrationsdetektors kann sehr wirksam eine Korrektur eines Meßfehlers vorgenommen werden, der auf Temperatureinflüsse zurückzuführen ist. Ferner wird der Meßbereich bei dem erfindungsgemäßen Sauerstoffkon­ zentrationsdetektor nicht mehr hinsichtlich eines bestimmten Temperaturbereiches eingeschränkt und es wird ferner auch die Meßgenauigkeit erhöht.

Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 12.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Hinweis auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Schnittansicht durch eine Ausführungsform eines Grenzstrom-Sauerstoffkonzentrationsfühlers;

Fig. 1B eine Kurvendarstellung, in welcher beispielsweise in Form von Kennlinien die Beziehungen zwischen der Spannung und dem Strom eines Grenzstrom-Sauerstoffkonzentra­ tionsfühlers aufgetragen sind, wobei in den Kurven die Sauerstoffkonzentration als Parameter verwendet ist;

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform einer herkömmlichen Schaltung, welche in Verbindung mit einem Grenzstrom-Sauerstoff­ konzentrationsfühler verwendet wird;

Fig. 3 eine Kurvendarstellung, in welcher die Beziehungen zwischen der Sauerstoffkonzentration und einem Grenzstrom eines herkömmlichen Grenzstrom-Sauerstoffkonzentrationsfühlers dargestellt sind, wobei die Kurven für zwei verschiedene Temperaturbedingungen wiedergegeben sind;

Fig. 4 eine Kurve, in welcher die Beziehungen zwischen der Temperatur und einem Grenzstrom unter der Voraussetzung dargestellt sind, daß die Sauerstoffkonzentration auf einem konstanten Wert gehalten wird;

Fig. 5 ein Blockschaltbild einer grundlegenden Aus­ führungsform eines Grenzstrom-Sauerstoffkonzentrationsfühlers gemäß der Erfindung;

Fig. 6A eine Kurve, in welcher die Beziehungen zwischen der Temperatur und einem Innenwiderstand eines Fühlers aufgetragen sind, welche die Art des Innenwiderstands eines Fühlers wiedergibt, dessen Wert sich infolge einer Änderung des Temperaturwerts ändert;

Fig. 6B eine Kurve, in welcher die Beziehungen zwischen der Temperatur und einem Innenwiderstand eines Fühlers dargestellt sind, welche die Art des Innenwiderstands eines Fühlers wiedergibt, dessen Wert sich infolge einer Änderung dessen Temperaturwerts ändert;

Fig. 7 eine Kurvendarstellung, welche den Genauigkeitsgrad bei zwei unabhängigen Näherungsformeln und den Bereich wiedergibt, in welchem die Näherungsformeln angewendet werden können;

Fig. 8 ein Blockschaltbild eines Grenzstrom-Sauerstoff­ konzentrationsfühlers gemäß einer Ausführungsform einer Erfindung;

Fig. 9 ein Blockschaltbild eines Grenzstrom-Sauer­ stoffkonzentrationsfühlers gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 10 ein Blockschaltbild eines Grenzstrom-Sauer­ stoffkonzentrationsfühlers gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung, und

Fig. 11 eine Kennliniendarstellung, in welcher die Temperatur über einem Grenzstrom für verschiedene herkömmliche Grenzstrom-Sauerstoff­ konzentrationsfühler und für verschiedene Sauerstoffkonzentrationsfühler gemäß verschiedener Ausführungsformen der Erfindung dargestellt sind.

In Fig. 1A ist ein Ausführungsbeispiel eines Grenzstrom- Sauerstoffkonzentrationsfühlers dargestellt, welcher bei der Erfindung verwendet wird. In Fig. 1A ist ein Sauerstoffionenleiter 1 a aus einem dicht gesinterten Teil in Form einer Platte oder eines Zylinders, dessen Material eine feste Lösung ist, die Zirkondioxyd (ZrO₂) und ein oder mehrere Materialien enthält, die aus der Gruppe Y₂O₃; Yb₂O₃, Gd₂O₃, MgO, CaO, Sc₂O₃ u. a. ausgewählt sind, welche als ein Stabilisator wirken, oder eine feste Lösung ist, die Bi₂O₃ und eines oder mehrere Materialien enthält, die aus der Gruppe Y₂O₃, Er₂O₃, WO₃ u. a. ausgewählt sind, welche als Stabilisator wirken, oder eine feste Lösung ist, die ein oder mehrere Materialien, die aus HfO₂, ThO₂ u. a. ausgewählt sind und eines oder mehrere Materialien enthält, die aus der Gruppe CaO, MgO, Y₂O₃, Yb₂O₃ u. a. ausgewählt sind, die als ein Stabilisator wirken. Eine Anode 1 b ist entlang der Oberfläche des Sauerstoffionenleiters 1 a angeordnet, und eine Kathode 1 d ist entlang der anderen Oberfläche des Sauerstoffionenleiters 1 a angeordnet. Die Anode 1 b und 1 d sind einander gegenüberliegend angeordnet. Die Elektroden, nämlich die Kathode 1 d und die Anode 1 b sind aus einem wärmebeständigen Elektronenleiter hergestellt, welcher eine Substanz ist, die aus der Gruppe Pt, Ag, Rh, Ir, Pd, u. a. ausgewählt ist, oder welche eine Legierung ist, die eines oder mehrere der vorstehend angeführten Metalle enthält. Bei Verwendung dieser Materialien kann der Wert eines Elektroden­ zwischenschichtwiderstandes, der sich zwischen dem Sauerstoffionen­ leiter 1 a und jeder dieser Elektroden 1 b und 1 d ergibt, verringert werden. Die Kathode 1 d ist mit einem perforierten Material bedeckt.

In Fig. 1A ist eine schematische Darstellung eines Beispiels des Grenzstrom-Sauerstoffkonzentrationsfühlers gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wiedergegeben; der Fühler ist mit einer porösen Schicht 1 f versehen, welche die Elektrode 1 d bedeckt. Diese poröse Schicht 1 f hat die Aufgabe, die Sauerstoffmenge zu begrenzen, die in Richtung der Kathode 1 d fließt. Die Anode 1 b ist mit einer anderen porösen Schicht 1 e bedeckt, welche dazu dient, die Anode 1 b davor zu schützen, daß sie durch Fremdmaterialien verschmutzt wird. Die porösen Schichten 1 f und 1 e werden aus einem wärmebeständigen anorganischen Material, z. B. Aluminiumoxid, Magnesiumoxid, Siliziumoxid, Spinnel oder Mullit erzeugt. Vorzugsweise hat die poröse Schicht 1 e eine Gaspermeabilität, welche gleich oder größer ist als die der porösen Schicht 1 f, und zwar deswegen, da die poröse Schicht 1 f erforderlich ist, um die Sauerstoffgasmenge zu steuern, welche von der Außenseite der porösen Schicht 1 f diffundiert, um dem Sauerstoffionenleiter 1 a über die Kathode 1 d zugeführt zu werden, obgleich die Funktion der porösen Schicht 1 e begrenzt ist, um Sauerstoffgas von dem Sauerstoffionenleiter 1 a durch die Anode 1 b abfließen zu lassen.

Jede der Elektroden hat einen Zuleitungsdraht 1 i, welcher aus einem wärmebeständigen elektronischen Leiter hergestellt ist, welcher eine Substanz aus der Gruppe Pt, Ag, Rg, Ir, Pd, u. a. oder eine Legierung wie das Material der Elektroden ist.

Bei Anlegen einer Spannung an die Anode 1 b und an die Kathode 1 d eines Grenzstrom-Sauerstoffkonzentrationsfühlers der vorstehend beschriebenen Ausführung unter der Voraussetzung, daß ein Gas, dessen Sauerstoffkonzentration gemessen wird, um den Fühler herum zur Verfügung steht, wird durch die Kathode 1 d Sauerstoff ionisiert, wodurch er in Sauerstoffionen umgewandelt wird. Nach einem Durchgang durch den Sauerstoffionenleiter 1 a werden die Sauerstoffionen an der Anode 1 b deionisiert. Der deionisierte Sauerstoff, d. h. Sauerstoffgas, wird aus dem Fühler heraus gereinigt. Eine Potentialbegrenzung, welche an die Sauerstoffgasmenge angelegt wird, welche der Oberfläche zwischen der Kathode 1 d und dem Sauerstoffionenleiter 1 a zugeführt wird, bewirkt eine entsprechende Begrenzung Sauerstoffionenmenge, die an der Kathode 1 d ionisiert wird. Da diese Begrenzung der Sauerstoffionenmenge ferner zu einer entsprechenden Begrenzung der elektronischen Ladungsmenge führt, die von den Sauerstoffionen (elektrischer Strom) mitgeführt worden sind, sättigt sich die elektrische Stromstärke, obwohl die Spannung steigt. Folglich werden die in Fig. 1B dargestellten Strombegrenzungskennlinien durch den Fühler geschaffen. Ferner ist ein allmählicher Anstieg in der Spannung, welche an die Kathode 1 d und die Anode 1 b angelegt worden ist, von einem entsprechenden Anstieg des elektrischen Stroms begleitet, welcher proportional zu der Zunahme der Spannung ansteigt, bis der Wert des elektrischen Stroms einen gesättigten Wert erreicht, wie in Fig. 1B dargestellt ist. Der Spannungsbereich, in welchem ein Strom proportional zu einem Anstieg der Spannung ansteigt, ist als ein Widerstandsdominationsbereich festgelegt, und der Spannungsbereich, in welchem ein Strom trotz eines Spannungsanstiegs begrenzt oder gesättigt ist, wird als Übertpotential-Steuerbereich festgelegt. Der Strom in dem Überpotential-Steuerbereich ist als ein "Grenzstrom" festgelegt. Diese Strombegrenzungserscheinung wird durch eine Erscheinung hervorgerufen, bei welcher der Sauerstoffkonzentrationsunterschied in und außerhalb eines derartigen Sauerstoffdiffusionsbegrenzer, wie er oben beschrieben ist, beinahe gleich einem Sauer­ stoffkonzentrationswert außerhalb des Sauerstoffdiffusions­ begrenzers wird.

Wie vorstehend ausgeführt, bezieht sich das beschriebene Beispiel auf einen Fühler, in welchem eine poröse Schicht zur Realisierung des Sauerstoffdiffusionsbegrenzers verwendet ist. Jedoch ermöglicht eine Einrichtung gemäß der Erfindung, welche nachstehend beschrieben wird, auch einen Sauerstoffkonzentrationsfühler, bei welchem die Kathode selbst als Sauerstoffdiffusionsbegrenzer verwendet ist. In dem Widerstandsdominationsbereich wird ein Spannungs-/ Stromverhältnis vorwiegend durch die Summe der Werte des Innenwiderstands des Sauerstoffionenleiters und des Elektroden­ widerstands bestimmt, der zwischen dem Sauerstoffionenleiter und den Elektroden vorliegt.

In einem Spannungsbereich, in welchem der Überpotential-Steuerbereich überschritten wird, wird ein Verhalten beobachtet, gemäß welchem der Wert des elektrischen Stroms infolge eines Spannungsanstiegs scharf ansteigt. Dieser scharfe Anstieg des Stromwerts wird dadurch hervorgerufen, daß die Sauerstoffmenge, die in der Umgebung des Sauerstoffionenleiters verfügbar ist, ansteigt, so daß die Spannung, die an die Elektroden mit einem Wert angelegt wird, der einen Grenzwert überschreitet, bewirkt, daß sich Teile von Kohlendioxid (CO₂) und Wasserdampf (H₂O), die in dem Abgas enthalten sind, zersetzen und Sauerstoffgas in der Umgebung des Sauerstoffionenleiters erzeugen. Dies hat dann den Effekt zur Folge, daß die Sauerstoffkonzentration des Gases effektiv erhöht wird, dessen Sauerstoffkonzentration gemessen wird. Dieser Spannungsbereich wird als Überpotential-Steuerbereich festgelegt. Wie in der vorstehenden Beschreibung ausgeführt ist, entspricht eine kleine Spannung, die an einen Sauerstoffkonzentrationsfühler angelegt worden ist, dem Widerstandsdominationsbereich, und eine höhere Spannung, die an den Sauerstoff­ konzentrationsfühler angelegt worden ist, entspricht dem übermäßigen Stromdominationsbereich bzw. Überpotential-Steuerbereich. Folglich muß die Messung eines Grenzstroms in einem Spannungsbereich zwischen dem Widerstandsdominationsbereich oder dem übermäßigen Stromdominationsbereich oder in dem Überpotential-Steuerbereich durchgeführt werden.

Die Größe dieses Überpotential-Steuerbereichs wird infolge der Zusammensetzungen eines Gases und/oder eines Materials festgelegt, aus welchem die Elektroden hergestellt sind. Ein beispielsweiser Wert für diesen Überpotential-Steuerbereich liegt bei etwa 1,3 bis 1,6 (V) für eine Atmosphäre, die eine große Menge inerter Gase z. B. Stickstoff, Argon u. a. und eine gewisse Menge von Sauerstoff enthält. Der entsprechende Wert für ein Gas, das eine große Menge Kohlendioxid und Wasserdampf und verhältnismäßig kleine Menge Sauerstoffgas enthält, wie beispielsweise ein Abgas, liegt bei etwa 0,6 bis 0,8 (V). Da der maximale Wert des Spannungsabfalls, der in dem Innenwiderstand eines Fühlers hervorgerufen worden ist, mit annähernd 0,5 (V) angenommen werden kann, ist es realistisch, den Wert der Spannung, welche an die Elektroden angelegt wird, in einem Bereich von 0,6 bis 0,75 (V) zu bemessen, um dadurch einen Einfluß durch den Innenwiderstand und/oder einen übermäßigen Strom zu vermeiden.

In Fig. 2 ist ein Blockschaltbild eines Beispiels einer herkömmlichen Schaltung dargestellt, welche in Verbindung mit einem Grenzstrom-Sauerstoffkonzentrationsfühler verwendet wird. In Fig. 2 wird ein Grenzstrom, der in einem Grenzstrom-Sauerstoffkonzentrationsfühler 1 entsprechend dem Anlegen einer konstanten Spannung, die von einer Konstant­ spannungsquelle 2 angelegt worden ist, mittels eines Stromdetektors festgestellt. In Fig. 3 ist eine Kurve dargestellt, welche die Beziehung zwischen der Sauerstoffkonzentration und dem Grenzstrom bei dem herkömmlichen Grenzstrom-Sauerstoffkonzentrationsfühler wiedergibt. Aus Fig. 3 ist zu ersehen, daß die Meßgenauigkeit unbefriedigend ist, daß sich die Beziehungen zwischen der Sauerstoffkonzentration gegenüber dem Grenzstrom entsprechend der Temperatur des Fühlers ändern. Obwohl es bekannt ist, daß ein Grenzstrom in einem Bereich mit einer hohen Sauerstoffkonzentration nicht notwendigerweise proportional zu der Sauerstoffkonzentration ist, ist diese fehlende Proportionalität nicht beachtet worden.

In Fig. 4 sind die Kennlinien dargestellt, bei welchem sich der Wert eines Grenzstroms in Abhängigkeit von der Temperatur eines Fühlers bei einem beliebigen Sauerstoff­ konzentrationswert ändert. Diese Temperaturabhängigkeit wird hauptsächlich durch die entsprechende Art bzw. Beschaffenheit des Diffusionskoeffizienten eines Gases hervorgerufen. Die Kennwerte eines Sauerstoffkonzentrationsfühlers, welcher mit einer porösen Schicht versehen ist, mit welcher die Durchflußmenge eines Sauerstoffgases reguliert wird, läßt sich durch folgende Formeln wiedergeben:

wobei I₁ den Wert eines Begrenzungsstroms, F eine Faradaysche Konstante, S die Fläche eines Teils, das die Durchflußmenge von Sauerstoffgas reguliert, Do₂eff den effektiven Diffusionskoeffizienten, Po₂ den Partialdruck von Sauerstoffgas, P den Gesamtdruck, R eine Gaskonstante, T die absolute Temperatur, l die Dicke einer porösen Schicht und ln den natürlichen Logarithmus darstellt.

Wenn das Verhältnis des Sauerstoff-Partialdruckes zum Gesamtdruck Po₂/P»1 ist, kann die Formel (1) angenähert werden durch:

Aus der Erfahrung ergibt sich, daß Do₂eff dargestellt werden kann durch

wobei To eine Bezugstemperatur, Do₂eff (T) den effektiven Diffusionskoeffizienten bei der Temperatur T, und Do₂eff (To) den effektiven Diffusionskoeffizienten bei der Temperatur To dargestellt. Es ist bekannt, daß der Exponent (m+1) in der vorstehenden Formel (3) annähernd gleich 1,75 ist. Folglich läßt sich das Verhältnis I₁ (T), welches der Ausgangsstrom bei der Temperatur T zu I₁ (To) ist, welcher der Ausgangsstrom bei der Temperatur t bei dem gleichen Partialdruck des Sauerstoffgases oder die Temperaturabhängigkeit eines Ausgangsstromes ist, darstellen durch

Wenn die Temperaturabhängigkeit eines Grenzstroms auf die Temperaturabhängigkeit begrenzt wird, die durch eine Änderung des Diffusionskoeffizienten eines Gases infolge einer Temperaturänderung hervorgerufen worden ist, ändert sich der Grenzstrom eines Fühlers nahezu proportional zu der Temperaturänderung, wie durch eine gestrichelte Linie in Fig. 4 dargestellt ist. Die Proportionalitätskonstante ist klein (T ^0,75). In der Praxis wird jedoch oft eine deutliche Abnahme des Grenzstroms beobachtet, wie durch eine ausgezogene Linie in Fig. 4 dargestellt ist. Dies wird durch einen großen Spannungsabfall hervorgerufen, welcher durch eine beachtliche Zunahme des Innenwiderstands in einem unteren Temperaturbereich hervorgerufen wird. Es wäre möglich den nachteiligen Einfluß der Temperaturabhängigkeit eines Fühlers zu beseitigen, würde die Temperatur der Fühlers auf einem konstanten Wert gehalten. Jedoch ist es klar, daß dieser Gedanke verschiedene Bauteile, wie einen Temperaturfühler, einen Heizer, einen Temperaturregler u. ä. erforderlich und daß ein auf diesem Gedanken beruhender Sauerstoffkonzentrationsdetektor verschiedene Schwierigkeiten nach sich zieht, beispielsweise eine komplizierte Ausführung, hohe Herstellungskosten, einen höheren Energieverbrauch u. ä.

Gemäß der Erfindung soll daher ein Grenzstrom-Sauerstoffkon­ zentrationsdetektor geschaffen werden, bei welchem die vorstehend angeführten Nachteile selbst unter der Voraussetzung beseitigt sind, daß der Detektor bei einer sich ändernden Temperatur und nicht nur bei einer geregelten Temperatur verwendet wird.

In Fig. 5 ist ein Blockschaltbild einer grundlegenden Ausführungsform eines Grenzstrom-Sauerstoffkonzentrationsfühlers gemäß der Erfindung dargestellt. In Fig. 5 ist der Detektor mit einem Grenzstrom-Sauerstoffkonzentrationsfühler 1, einer Einrichtung 4 zum Anlegen einer Spannung, welche eine Einrichtung ist, um abwechselnd zwei Spannungsarten anzulegen, nämlich (1) eine Spannung zum Feststellen eines in dem Fühler fließenden Grenzstroms und (2) eine Spannung (oder einen Strom) zum Feststellen eines Innenwiderstands des Fühlers 1, mit einer Einrichtung 5 zum Feststellen von Spannung-Strom, welche eine Einrichtung ist, um eine Spannung, die durch Anlegen einer von der Einrichtung 4 gelieferten Spannung erzeugt worden ist, an dem Fühler 1 festzustellen, oder um einen in dem Fühler 1 fließenden Strom festzustellen, der durch Anlegen einer von der Einrichtung 4 gelieferten Spannung hervorgerufen worden ist, und mit einer Einrichtung 6 zum Ausgleichen einer Temperaturabhängigkeit versehen, welche eine Einrichtung ist, um einen Temperaturausgleich am Ausgang des Fühlers 1 oder an dem festgestellten Grenzstrom des Fühlers 1 anzuwenden. Die Einrichtung 6 zum Ausgleichen einer Temperaturabhängigkeit weist eine Einheit 61 zum Feststellen des Innenwiderstands eines Fühlers, eine Einheit 62 zum Berechnen eines Temperaturkorrekturkoeffizienten, welche eine Einrichtung ist, um einen Temperaturkoeffizienten im Anschluß an den Innenwiderstand zu berechnen, welcher mit Hilfe der Einheit 61 festgestellt wird, und eine Einheit 63 zum Korrigieren eines Grenzstroms auf, welche eine Einrichtung ist, um den Wert des Grenzstroms entsprechend dem Temperaturkoeffizienten zu korrigieren. In Fig. 6A und 6B sind die Beziehungen zwischen dem spezifischen Widerstand eines Sauerstoffionenleiters, der durch einen Sauerstoffkonzentrationsfühler gebildet ist, und der Temperatur des Fühlers dargestellt. In Fig. 6B ist ein halblogarithmischer Maßstab (d. h. eine einfache Teilung auf der Abszisse und eine logarithmische Teilung auf der Ordinate) verwendet. Der spezifische Widerstand ρ eines Sauerstoffionenleiters läßt sich folgendermaßen wiedergeben:

wobei c₁ einen Koeffizienten, e die Basis des natürlichen Logarithmus, E eine Aktivierungsenergie des Sauerstoff­ ionenleiters, K die Boltzmannkonstante und t die absolute Temperatur eines Fühlers darstellt.

In der Gl. (5) sind der Koeffizient c₁ und die Aktivierungsenergie E Parameter, die entsprechend der Zusammensetzung von Materialien, aus welchen ein Fühler hergestellt ist, den Sinterbedingungen, die bei dem Sauerstoffionenleiter angewendet worden sind, und Verunreinigungen in dem Leiter festgelegt worden sind. Ein Sauerstoffionenleiter ist vorzugsweise eine feste Lösung, die Zirkondioxid und eines oder mehrere der Materialien enthält, die aus der Gruppe Y₂O₃, Yb₂O₃, Gd₂O₃, MgO, CaO, Sc₂O₃ u. a. ausgewählt worden ist, oder die Bi₂O₃ und eines oder mehrere Materialien enthält, die aus der Gruppe Y₂O₃, Er₂O₃, WO₃ u. a. ausgewählt ist, da eine Verwendung dieser Materialien wirksam ist, um den Wert des Koeffizienten C₁ herabzusetzen, was sich aus einer Verringerung des Wert des spezifischen Widerstands ρ ergibt. Mit jedem dieser Sauerstoffionenleiter kann der Wert des spezifischen Widerstands ρ deutlich erhöht werden, was dann eine Abnahme dessen Temperatur zur Folge hat, wie in Fig. 6B dargestellt ist, und zwar deswegen, da der Wert der Aktivierungsenergie in der Größe von 0,5 bis 1,4 (eV) für diese Materialien hoch ist. Zusätzlich zu dem Innenwiderstand eines Ionenleiters wird noch eine andere Art Widerstand entlang der Zwischenschicht zwischen einem Ionenleiter und Elektroden festgestellt. Dieser Zwischenschichtwiderstand ändert sich in Abhängigkeit von dem Zwischenschichtzustand, welcher entsprechend der Oberflächenbehandlung des Sauerstoffionen-Leiters festgelegt ist, in Abhängigkeit von der Zusammensetzung der Elektrodenmaterialien und von anderen Bedingungen. Der Oberflächenwiderstand kann herabgesetzt werden, wenn einige der oben angeführten Substanzen als Elektrodenmaterial verwendet werden.

Wenn sich der Innenwiderstand eines Grenzstrom-Sauerstoff­ konzentrationsfühlers in Abhängigkeit von dessen Temperatur ändert, kann dessen Temperatur mit Hilfe einer Messung seines Innenwiderstands festgestellt werden. Hierzu ist in der vorherigen Gleichung ρ durch ρ₀ durch T durch To zu ersetzen, d. h. ρ=ρ₀ und T=To:

wobei log_e den natürlichen Logarithmus darstellt.

Da der Wert des Innenwiderstands eines Fühlers praktisch proportional dem Wert eines spezifischen Widerstands des Materials ist, aus welchem der Fühler hergestellt ist, kann die Gl. (8), welche spezifische Widerstände ρ und ρ₀ als unabhängige Veränderliche erhält umgewandelt werden in die folgende Gleichung:

wobei R den Innenwiderstand eines Fühlers und R₀ den Innenwiderstand eines Fühlers bei einer Temperatur To darstellt.

Da der Wert von E und die Beziehungen zwischen To und R₀ für jeden speziellen Fühler festgelegt sind, kann die absolute Temperatur T aus dem Innenwiderstand R bestimmt werden. Eine Korrektur kann durch ein Multiplizieren einer Funktion

durchgeführt werden, durch welche der Fehler, der durch die in Fig. 4 dargestellte Temperaturabhängigkeit hervorgerufen wird, in der Gl. (4) null gemacht wird. Mit anderen Worten, ein Temperaturkorrekturkoeffizient α (T) ist

In dem in Fig. 5 dargestellten Blockschaltbild ist eine Einheit 62 zum Berechnen eines Temperaturkoeffizienten eine Einrichtung zum Berechnen des vorstehend angeführten Temperatur­ korrekturkoeffizienten α (T), und eine Korrekturein­ richtung 63 ist eine Einrichtung, um eine Temperaturkorrektur am Ausgang der Einrichtung 5 zum Feststellen von Spannung/ Strom durch ein Multiplizieren des Temperaturkorrek­ turkoeffizienten α (T) mit dem Ausgang der Einrichtung 5 zum Feststellen von Spannung/Strom anzuwenden.

Auf die vorstehend beschriebene Weise kann der temperaturabhängige Bestandteil aus der Gl. (4) entfernt werden, welche einen Bestandteil aufweist, der von der Temperatur abhängt. Mit anderen Worten, ein Multiplizieren des Temperatur­ korrekturkoeffizienten α (T) mit der Gl. (4) läuft auf eine Beseitigung eines temperaturabhängigen Bestandteils hinaus. Folglich kann ein Wert eines Grenzstroms errechnet werden, welcher ausschließlich zu dem Sauerstoff- Partialdruck proportional ist.

Eine Einrichtung, mit welcher ein Temperaturwiderstandsko­ effizient

aus dem Innenwiderstand eines Fühlers berechnet wird, wird nachstehend beschrieben.

Durch Einsetzen der Gl. (9) in die Gl. (10) ergibt sich:

Entweder kann eine Hardware oder eine Software zum Berechnen der Gl. (11), um einen Temperaturkorrekturkoeffizienten zu erreichen, und zum Multiplizieren des Temperaturkorrektur­ koeffizienten mit einem Grenzstromwert verwendet werden, welcher mittels der Einrichtung 5 zum Feststellen von Spannung/ Strom festgestellt wird. Da jedoch die Gl. (11) logarithmische und Leistungsberechnungen enthält, ist die Berechnung ziemlich kompliziert.

Wenn eine Vereinfachung an die Stelle der Genauigkeit tritt, kann eine nachstehend wiedergegebene Näherungsformel verwendet werden. Zuerst wird durch die nachstehend wiedergegebene Folge das logarithmische Berechnungsglied vereinfacht.

Als zweites wird durch die folgende Gleichung die Leistungsberechnung vereinfacht.

In Fig. 7 wird die Genauigkeit von zwei unabhängigen Näherungsformeln verglichen, welche bei

mit dem Ziel anwendbar sind, um den passenden Bereich in Form von E/R₀ der beiden Gleichungen festzulegen. Mit anderen Worten, die Gl. (14) kann angenähert werden durch

oder

Die Fig. 7 zeigt eine gute Übereinstimmung für die Gl. (15) im Bereich von 0,3<(R/R₀)<3. Die Fig. 7 zeigt auch eine gute Übereinstimmung für die Gl. (16) in dem Bereich von 0,6<(R/R₀)<1,4, welcher entsprechend schmaler ist als für die Gl. (15). Wie eine spätere Beschreibung zeigt, genügt sogar die Gl. (16) um den Temperaturausgleich durchzuführen.

Ferner kann eine Leistungsberechnungsformel

Z₁ = (1+x) ^m (17)

angenähert werden durch

Z₂ = 1+mx (18)

Da der Wert von x in dem Temperaturbereich von 600°C bis 1000°C, in welchem dieser Fühler verwendet wird, viel kleiner als 1 ist, können diese Formel mit einem Fehlerbereich, der kleiner als 1(%) ist, angenähert werden. Mit der Annäherungsgleichung (16) ergibt sich dann:

Durch die vorstehende Vereinfachung sind logarithmische und Leistungsberechnungen aus der Gl. (11) ausgeschlossen, und es verbleibt nur eine Addition, eine Subtraktion, eine Multiplikation und Division für die Gl. (13) und eine Addition und Subtraktion für die Gl. (19). Hierdurch können der Aufbau der Recheneinrichtung wirksam vereinfacht und deren Herstellungskosten gesenkt werden. Statt einer Anwendung eines Verfahrens, bei welchem angenommen wird, daß die Temperatur eines Fühlers dessen Innenwiderstand folgt, kann auch ein wärmeempfindliches Element, beispielsweise ein Thermistor oder ein Thermoelement, zum Messen der Temperatur eines Fühlers verwendet werden.

In Fig. 8 ist die grundlegende Ausführung eines Grenzstrom-­ Sauerstoffkonzentrationsfühlers gemäß einer Ausführungsform der Erfindung dargestellt, wobei das sogenannte Time- Shearing-System angewendet ist, um abwechselnd einen Grenzstrom eines Sauerstoffkonzentrationsfühlers und die Temperatur des Fühlers zu messen (welche durch Messen des Innenwiderstandes des Fühlers gemessen wird). In Fig. 8 weist ein Grenzstrom-Sauerstoffkonzentrationsfühler 1 einen Aufbau auf, welcher genau gleich dem Aufbau des in Fig. 1A dargestellten Fühlers ist. Eine erste spannungsanlegende Einrichtung 12, welche eine Spannung an den Fühler 1 während eines ersten Zeitabschnittes anlegt, um einen Grenzstrom des Fühlers 1 zu messen, und eine zweite spannungsanlegende Einrichtung 13, welche Spannung an den Fühler während eines zweiten Zeitabschnittes anlegt, um den Innenwiderstand des Fühlers 1 zu messen, sind mit dem Fühler 1 über einen Stromdetektor 14 verbunden. Der Ausgangsanschluß des Stromdetektors 14 ist mit Eingangsanschlüssen einer ersten Halteschaltung 16, welche vorgesehen ist, um die Information zu halten oder zu speichern, die den Wert eines Grenzstroms darstellt, welcher in dem letzten ersten Zeitabschnitt festgestellt wurde, und einer zweiten Halteschaltung 17 verbunden, welche vorgesehen ist, um die Information zu halten oder zu speichern, welche den Stromwert darstellt, welcher dem Innenwiderstand des Fühlers entspricht, welcher in dem letzten zweiten Zeitabschnitt gefühlt wurde. Eine alternierende Regulier- oder Einstelleinrichtung 15 ist mit den beiden spannunganlegenden Einrichtungen 12 und 13 und den beiden Halteschaltungen 16 und 17 verbunden, um jede von diesen einzustellen bzw. zu steuern. Die Ausgangsanschlüsse der zweiten spannungsanlegenden Einrichtung 13 und der zweiten Halteschaltung 17 sind mit dem Eingangsanschluß einer den Innenwiderstand berechnenden Einrichtung 18 verbunden. Die Einrichtung 18 berechnet den Innenwiderstand des Fühlers anhand von Beziehungen zwischen der an den Fühler 1 angelegten Spannung und dem Strom, der in dem Fühler 1 entsprechend der an ihn angelegten Spannung fließt. Der Ausgangsanschluß der Einrichtung 18 ist mit dem Eingangsanschluß einer Temperaturberechnungseinrichtung 19 verbunden, welche die Temperatur des Fühlers anhand dessen Innenwiderstandes mit Hilfe der in Gl. (11) dargestellten Beziehungen berechnet. Der Ausgangsanschluß der Temperaturberechnungseinrichtung 19 ist mit dem Eingangsanschluß einer Recheneinrichtung 20 verbunden, welche den Temperaturkorrekturwert mit Hilfe der in Gl. (12) dargestellten Beziehungen berechnet. Der Ausgangsanschluß der ersten Halteschaltung 16, welche die Information bezüglich des Grenzstroms hält, ist mit einem der Eingangsanschlüsse einer Korrektureinrichtung 21 verbunden, und der Ausgangsanschluß der Recheneinrichtung 20 ist mit dem anderen Eingangsanschluß der Korrektureinrichtung 21 verbunden. Die Korrektureinrichtung 21 ist vorgesehen, um eine Temperaturkorrektur bei dem festgestellten Grenzstromwert anzuwenden.

Die Arbeitsweise der in Fig. 8 dargestellten Schaltung und die bevorzugten Bedingungen, welche eine normale Arbeitsweise der in Fig. 8 dargestellten Schaltung ermöglichen, werden nunmehr beschrieben. Da die erste spannungsanlegende Einrichtung eine Spannung abgeben muß, welche sich für ein Messen eines Grenzstroms des Fühlers eignet, wird die Spannung vorzugsweise so gewählt, daß sie nahe bei dem Maximum des Überpotential-Steuerbereichs ist, welcher der Sauerstoffkonzentration eines Gases entspricht, dessen Sauer­ stoffkonzentration gemessen wird, obwohl auch dem Sauerstoff­ konzentrations-Meßbereich, der Konzentration von Verbrennungs­ produkten, der Zusammensetzung der Elektroden u. a. bei der Auswahl des bevorzugten Spannungswertes Beachtung geschenkt werden muß. Da ferner die zweite spannungsanlegende Einrichtung 13 eine Spannung abgeben muß, welche für eine Messung des Innenwiderstandes des Fühlers geeignet ist, muß die Spannung in dem Widerstandsdominationsbereich gewählt werden, welche kleiner (z. B. 0,7mal so hoch oder weniger) als der Minimalwert in dem Überpotential-Steuerbereich ist, welcher der Sauerstoffkonzentration eines Gases entspricht, dessen Sauerstoffkonzentration gemessen wird, obwohl auch den Anwendungsbedingungen u. ä. Beachtung geschenkt werden muß.

Der Zyklus einer alternierenden Regulierung bzw. Steuerung und das Verhältnis, in welchem eine Zeit dem ersten und dem zweiten Zeitabschnitt zugeordnet wird, werden vorzugsweise so gewählt, wie nachstehend beschrieben ist. Die Länge des ersten Zeitabschnittes muß nicht notwendigerweise gleich der Länge des zweiten Zeitabschnittes sein. Bei einer Verbrennungs­ steuerung in einem Verbrennungsmotor ändert sich die Temperatur des Abgases nicht so schnell entsprechend einer Änderung in der Sauerstoffkonzentration. Folglich würden, wenn dem ersten Zeitabschnitt, in welchem die Sauerstoffkonzentration gemessen werden kann, eine längere Zeit zugeteilt wird als dem zweiten Zeitabschnitt, in welchem die Sauer­ stoffkonzentration nicht gemessen werden kann, die Wirkungen der Erfindung weiter gesteigert. Bei der Folge, mit welcher der erste und der zweite Zeitabschnitt geändert werden, ist eine höhere Folge vorzuziehen, da es ein besseres Ansprechen für den Detektor ermöglicht, wenn nicht die höhere Folge bewirkt, daß ein Strom für eine Spannung bei der höheren Folge ungeeignet ist. Unter diesem Gesichtspunkt ist daher eine Erhöhung der Folge auf den Wert von 1 (kHz) beschränkt.

Die Arbeitsweise der den Innenwiderstand berechnenden Einrichtung 18 besteht darin, die Spannung festzustellen, die von der zweiten eine Spannung abgebenden Einrichtung 13 während des zweiten Abschnittes abgegeben worden ist, und den Spannungswert durch den Stromwert zu teilen, der durch die zweite Halteschaltung 17 gehalten worden ist. Wenn jedoch der Wert der zweiten eine Spannung anlegenden Einrichtung 13 nicht veränderlich ist, kann der Wert des Innenwiderstands erreicht werden, indem Schritte einschließlich der Berechnung der Kehrzahl eines Stroms und der Multiplikation eines Proportionalitätskoeffizienten und der Kehrzahl angewendet werden. Ferner kann der Wert des Innenwiderstandes eines Fühlers unter Zugrundelegung des Spannungswertes erhalten werden, welche erforderlich ist, damit ein konstanter Strom in dem Fühler fließt.

Die Funktionsweise der Temperaturberechnungseinrichtung 19 besteht darin, den Temperaturwert eines Fühlers unter Zugrundelegung eines Widerstandswertes mit Hilfe der Gl. (13) zu berechnen. Die Arbeitsweise der den Temperaturkorrekturwert berechnenden Einrichtung 20 besteht darin, die Berechnung der Gl. (11) oder die Berechnung einer Kehrzahl derjenigen Zahl durchzuführen, welche die Temperaturabhängigkeit eines in Fig. 4 dargestellten Fühlers darstellt. Die Korrektureinrichtung 21 multipliziert einen Temperatur­ korrekturkoeffizienten mit einem Grenzwert.

Obwohl in Fig. 8 eine Schaltung dargestellt ist, in welcher der Ausgang des Stromdetektors 14 an den Eingang der ersten Halteschaltung 16 angelegt wird, kann die erste Halteschaltung 16 die Information halten, welche den Wert eines Grenzstromes darstellt, bei welchem eine Temperaturkorrektur vorgenommen wird. Obwohl in Fig. 8 eine Schaltung dargestellt ist, bei welcher der Ausgang des Stromdetektors 14 auch an den Eingang der zweiten Halteschaltung 17 angelegt wird, kann die zweite Halteschaltung 17 den Ausgang der den In­ nenwiderstand berechnenden Einrichtung 18 halten. Obwohl ferner in Fig. 8 eine Schaltung dargestellt ist, welche mit zwei unabhängigen spannungsanlegenden Einrichtungen 12 und 13 versehen ist, können diese beiden Einrichtungen 12 und 13 durch einen Rechteckwellenoszillator ersetzt werden.

Eine Schaltung zum Berechnen von log_e (R/R₀) der in dem ersten Glied auf der rechten Seite der Gl. (11) wiedergegeben ist, kann aus einem oder mehreren Logarithmus-Umwandlungs­ bausteinen No. 4366 (oder 4367) aufgebaut werden, die von Teledyne Fillbrick u. ä. hergestellt werden. Eine Schaltung zur Leistungsberechnung, die auf der rechten Seite der Gl. (11) aufgeführt ist, kann ohne weiteres aus einer oder mehreren Leistungsfunktionsbaueinheiten No. 4311 aufgebaut werden, die von Teledyne Philbrick u. ä. hergestellt werden.

In Fig. 9 ist eine Schaltung eines Grenzstrom-Sauerstoffkon­ zentrationsfühlers gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung dargestellt. In Fig. 9 ist ein Grenzstrom- Sauerstoffkonzentrationsfühler 1 dargestellt, der genau gleich dem Fühler ist, welcher in der in Fig. 8 dargestellten Ausführungsform verwendet ist. Ein Potentiometer 12 a ist vorgesehen, um an den Fühler 1 während des ersten Zeitabschnittes eine Spannung anzulegen, um einen Grenzstrom zu messen. Eine einen festgelegten Strom liefernde Einheit 13 a gibt während des zweiten Abschnittes einen Rand- bzw. Grenzstromwert an den Fühler 1 ab, um den Innenwiderstand des Fühlers 1 zu messen. Eine Schalteinrichtung 22 schaltet die Spannung und den Strom zwischen dem ersten und dem zweiten Zeitabschnitt um. Ferner ist ein Strom/Spannungsumsetzer 23 vorgesehen. Ein Rechteckwellenoszillator 15 a erzeugt eine Frequenz, mit welcher der erste und der zweite Zeitabschnitt bzw. die erste und zweite Periode umgeschaltet werden. Ein monostabiler Multivibrator 15 schafft eine zeitlich richtige Abstimmung, bei welcher ein Grenzstrom in einem begrenzten Zeitabschnitt der festgelegten Periode gemessen wird, in welcher der Grenzstrom unverändert ist, nachdem ein Einschwingvorgang vorüber ist. Eine Abfragehalteschaltung 16 a hält Information bezüglich des Grenzstromes des Fühlers 1, um eine Diskontinuität in der Infor­ mationsversorgung während des zweiten Zeitabschnittes bzw. der zweiten Periode zu vermeiden, in welcher ein Grenzstrom des Fühlers 1 nicht gemessen werden kann. Ein monostabiler Multivibrator 15 c schafft eine zeitlich richtige Abstimmung, bei welcher der Innenwiderstand in einem begrenzten Abschnitt der zweiten Periode gemessen wird, in welcher der Innenwiderstand des Fühlers 1 unverändert ist, nachdem ein Einschwingvorgang vorüber ist. Eine Abfrage­ halteschaltung 17 a hält Information bezüglich des Innenwi­ derstandes des Fühlers 1, um eine Diskontinuität in der In­ formationsversorgung während des ersten Zeitabschnitts zu vermeiden, in welcher der Innenwiderstand des Fühlers 1 nicht gefühlt werden kann.

Die Besonderheit dieser Ausführungsformen besteht darin, daß ein Strom mit einem fest vorgesehenen Wert während des zweiten Zeitabschnittes an den Fühler 1 durch die einen festen Strom abgebende Einheit 13 a zugeführt wird, eher als daß eine Spannung während der gleichen Periode an den Fühler 1 angelegt wird. Da in diesem Fall eine Spannung, deren Wert proportional dem Wert des Innenwiderstandes ist, festgestellt wird, wird diese Spannung in die Abfragehalte­ schaltung 17 a eingegeben. Im Vergleich zu der vorherigen Ausführungsform ist diese Ausführungsform vorteilhafter, da die Ausführung infolge des Wegfalls der den Innenwiderstand berechnenden Einrichtung 18 einfacher ist.

Um den Annäherungsgrad auf die Gl. (14) hin zu verbessern, ist diese Ausführungsform mit einer Schaltung versehen, welche zwei eine feste Spannung abgebende Spannungsquellen 20 d und 20 e, sechs Widerstände 20 f bis 20 k, einen Teiler 20 m und einen Potentiometer 20 n aufweist. Für verschiedene Fühler mit unterschiedlichen Temperaturkoeffizienten kann mittels einer Einstellung des Potentiometers 20 n eine Messung durchgeführt werden.

Die Arbeitsweise der in Fig. 9 dargestellten Schaltung und die bevorzugten Bedingungen, welche eine normale Arbeitsweise bei dieser Schaltung ermöglichen, werden nachstehend beschrieben. Da die Ausgangsspannung des Potentiometers 12 a für ein Messen eines Grenzstroms eines Fühlers geeignet sein muß, wird die Spannung vorzugsweise so gewählt, daß sie 0,25 bis 1,5 (V) ist. Unter praxisbezogenen Gesichtspunkten liegt jedoch der bevorzugte Spannungswert bei etwa 0,75 (V), um die Sauerstoffkonzentration zu messen, die in dem Abgas eines Verbrennungsmotors enthalten ist. Da jedoch der Ausgangsstrom der einen festen Strom abgebenden Einrichtung 13 a zum Messen des Innenwiderstandes des Fühlers geeignet sein muß, muß der Strom so gewählt werden, daß er einen Spannungsabfall im Bereich von 1 (V) bis 0,1 (V) erzeugt. Wenn die Messung auf einen höheren Sauerstoffkonzentrationsbereich beschränkt ist, wird der Widerstandsdominationsbereich verbreitert. Folglich wird vorzugsweise der Wert des Stroms, welcher einem Fühler zugeführt wird, um dessen Innenwiderstand zu messen, auf den Wert erhöht, welcher 0,7mal so hoch ist wie der Wert einer Spannung in dem Widerstandsdo­ minationsbereich, und zwar im Anschluß an das Erhöhen des Widerstandsdominationsbereichs. Die Wellenformen der Rechteckwelle müssen in dem ersten Zeitabschnitt, in welchem ein Grenzstrom gemessen wird, und in dem zweiten Abschnitt, in welchem der Innenwiderstand gemessen wird, nicht identisch sein. Da die Geschwindigkeit, mit welcher sich die Temperatur eines Fühlers ändert, niedriger ist, als die entsprechende Geschwindigkeit, mit welcher sich die Sauerstoffkonzentration ändert, würden, wenn der ersten Periode oder dem ersten Zeitabschnitt, in welchem die Sauerstoffkonzentration gemessen werden kann, eine längere Zeit zugeteilt wird als der zweiten Periode oder dem zweiten Abschnitt, in welchem die Sauerstoffkonzentration nicht gemessen werden kann, die Wirkungen der Erfindung noch weiter gesteigert. Ein Zyklus bzw. eine Folge, bei welcher der erste und der zweite Zeitabschnitt bzw. die erste und die zweite Periode abgewechselt werden, ist vorzugsweise höher, da eine höhere Folge ein besseres Ansprechen für den Detektor ermöglicht. Wenn jedoch die Folge zu hoch ist, kann es durchaus vorkommen, daß eine Einschwingperiode nicht endet, bevor die nächste Folge beginnt, so daß dann keine Zeit für eine Messung verbleibt. Im Hinblick hierauf wird die Erhöhung der Frequenz auf einen Wert von 1 (kHz) beschränkt. Die Länge einer Einschwingperiode, in welcher keine Messung durchgeführt werden kann, ändert sich in Abhängigkeit von der Form, der Abmessung, dem Material u. ä. eines Grenzstrom- Sauerstoffkonzentrationsfühlers. Ein bevorzugter Frequenzbereich ist 1 (Hz) bis 1 (kHz). Für einen Fühler, welcher eine Einschwingdauer von 5 (ms) aufweist, liegt die bevorzugte Frequenz etwa bei 100 (Hz).

Durch eine Verbindung der eine feste Spannung abgebenden Einrichtung 20 d und der Widerstände 20 f und 20 g ist den Forderungen bezüglich einer angenäherten Berechnung von (R+R₀) in der Gl. (13) genügt. Durch eine Verbindung der eine feste Spannung abgebenden Einrichtung 20 e und der Widerstände 20 h und 20 i ist den Forderungen bezüglich einer annähernden Berechnung von (R-R₀) in der Gl. (13) genügt. Mit dem Teiler 20 m wird eine Teilung von

in der Gl. (13) durchgeführt. Durch eine Verbindung der eine feste Spannung liefernden Quelle 20 d, des Widerstandes 20 j, des Potentiometers 20 n und des Widerstands 20 k kann annähernd

in der Gl. (13) berechnet werden.

In der vorstehenden Schaltung können die Widerstände durch einen oder mehrere Addierer ersetzt werden, um die Genauigkeit bei der Berechnung zu verbessern.

Ein Temperaturkorrekturkoeffizient, der durch Berechnen der Gl. (13) erhalten worden ist, wird in eine Multipliziereinheit 21 a eingegeben, welche mit Hilfe des Temperaturkorrek­ turkoeffizienten einen Temperaturausgleich bei einem Grenzstrom anwendet. Das Potentiometer 20 n kann für einen Fühler mit einem anderen Temperaturkoeffizienten entsprechend eingestellt werden. Obwohl in Fig. 9 dargestellt ist, daß ein in dem Fühler 11 erzeugter Spannungsabfall das Eingangssignal der Abfragehalteschaltung 17 a ist, kann dieses Eingabesignal durch den Ausgang des Teilers 20 m oder sogar der Temperaturkorrekturschaltung ersetzt werden. Obwohl der Ausgang der Strom/Spannung-Umsetzschaltung 23 das Eingangssignal der Abfragehalteschaltung 16 a ist, kann dieses Eingangssignal durch einen bei einer Temperaturkorrektur verwendeten Grenzstrom ersetzt werden. Statt eines Verfahrens, bei welchem ein Rechteckwellengenerator benutzt wird, kann auch ein Verfahren angewendet werden, bei welchem die Ausgangswellenform des Sinuswellenoszillators mittels eines Spannungsbegrenzers u. ä. umgeformt wird.

Es können auch irgendwelche andere Einrichtungen, beispielsweise ein Thermoelement, ein wärmeempfindlicher Widerstand (ein Thermistor) u. ä. anstelle eines auf dem Innenwiderstand basierenden Verfahren angewendet werden, um die Temperatur zu messen. Multivibratoren können durch irgendwelche anderen Verzögerungselemente ersetzt werden.

In Fig. 10 ist die Schaltung eines Grenzstrom-Sauerstoffkon­ zentrationsfühlers gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Der Hauptunterschied zwischen dieser Schaltung und in der in Fig. 9 dargestellten Schaltung besteht darin, daß diese Schaltung mit einer Recheneinheit versehen ist, die einen Temperaturkorrekturwert anhand der Gl. (20) durchführt. Den Forderungen zur Berechnung des Temperaturkorrekturgliedes wird mittels einer Potentialteilung genügt, die mit Hilfe einer eine feste Spannung anlegenden Einheit 20 p, von Widerständen 20 q und 20 r und eines Potentiometers 20 s durchgeführt wird. Folglich ist der Aufbau einer den Temperaturkorrekturwert berechnenden Einheit in dieser Schaltung vereinfacht. Eine eine feste Spannung abgebende Einheit 20 p muß eingestellt werden, wenn ein Fühler durch einen anderen ersetzt wird, welcher einen unterschiedlichen Temperaturkoeffizienten aufweist.

In Fig. 11 sind die Temperatur-Grenzwert-Kennlinien für verschiedene Grenzwert-Sauerstoffkonzentrationsfühler miteinander verglichen, um die Wirkungen der Erfindung aufzuzeigen. In Fig. 2 weist der herkömmliche Fühler eine beträchtliche Temperaturabhängigkeit auf. Dies ist ein Parameter, um einen nachteiligen Einfluß auf die Genauigkeit und den Temperaturbereich zu bewirken, in welchem die Messung durchgeführt wird. Dagegen zeigen die Fühler gemäß jeder Ausführungsform der Erfindung eine beträchtliche Verbesserung, die bezüglich der Genauigkeit und des Temperaturbereichs angewendet worden ist, in welchem die Messung durchgeführt werden kann. Diese Verbesserungen sind durch Anwenden eines Temperaturausgleichs verwirklicht.

Selbst bei der in Fig. 10 dargestellten, vereinfachten Ausführung werden im Vergleich zu dem Fall, bei welchem das genaue Temperaturausgleichssystem verwendet ist, zufriedenstellende Ergebnisse erzielt. Wie in Fig. 7 dargestellt, ist die Näherungsgleichung (6) nicht zufriedenstellend der logarithmischen Berechnungsgleichung (14) in den Bereichen 0,6<R/R₀ und R/R₀<1,4 angenähert. Trotz dieser Beschränkung der Näherungsgleichung (16) zeitigt eine Ausführungsform, bei welcher die Näherungsgleichung (16) benutzt wird, ein zufriedenstellendes Ergebnis im Vergleich zu der Ausführungsform, bei welcher die in Fig. 8 wiedergegebene Gleichung angewendet wird, oder im Vergleich zu der Ausführungsform, bei welcher die in Fig. 9 dargestellte Gleichung (15) verwendet ist, und zwar deswegen, da der Grenz­ strom-Sauerstoffkonzentrationsfühler eine ihm innewohnende Eigenschaft hat, daß ein Grenzstrom im unteren Temperaturbereich deutlich abnimmt, wie durch eine ausgezogene Linie in Fig. 4 dargestellt ist, und nicht so verläuft, wie eine gestrichelte Linie in Fig. 4, welche den Idealfall darstellt. Mit anderen Worten, aufgrund dieser Beschaffenheit wird eine Einstellung bezüglich der Steigung in der Gl. (16) angewendet, um einen größeren Korrekturwert bei einem Grenzstrom anzuwenden, um eine größere Abweichung von der logarithmischen Funktion in einem niedrigen Temperaturbereich vorzunehmen und um es im höheren Temperaturbereich bei einer logarithmischen Funktion zu belassen. Die Multipliziereinheit 21 a, die in den Ausführungsformen der Fig. 9 und 10 verwendet worden ist, kann durch ein Element ersetzt werden, dessen Innenwiderstand durch eine Gateeingangsspannung eines Feldeffekttransistors u. ä. reguliert wird.

Aus der vorstehenden Beschreibung ist zu ersehen, daß der Grenzstrom-Sauerstoffkonzentrationsfühler gemäß der Erfindung auf der Überlegung beruht, daß (a) ein Grenzstrom eines Fühlers in einem Überpotential-Steuerbereich gemessen wird, welcher einer von zwei Spannungsbereichen ist, die für den Fühler verfügbar sind, und daß der Innenwiderstand des Fühlers in dem Widerstandsdominationsbereich gemessen wird, welcher der andere Spannungsbereich ist, der für den Fühler zur Verfügung steht, (b) die Temperatur des Fühlers entsprechend dem Wert des Innenwiderstandes gemessen wird und (c) die Fehler, die in dem Grenzstrom infolge der Temperaturabhängigkeit enthalten sind, entsprechend der Temperatur des Fühlers korrigiert werden, wodurch es (d) möglich ist, den Wert des Grenzstroms zu messen, welcher genau den Sauerstoffkonzentrationswert darstellt. Somit ist die Genauigkeit verbessert, und der Temperaturbereich, in welchem die Messung möglich ist, ist für eine Grenzstrom-Sauerstoffkonzentrationseinrichtung erweitert.

Claims (12)

1. Grenzstrom-Sauerstoffkonzentrationsdetektor mit einem Grenzstrom-Sauerstoffkonzentrationsfühler aus einem Sauerstoff- Ionen-Leiter, bei dem der Grenzstrom ein Maß für den Sauerstoffgehalt ist, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) eine Einrichtung vorhanden ist, die zwei Stromversorgungs­ einrichtungen (12, 13) enthält, von denen die eine dazu dient, den Grenzstrom einzustellen und die zweite eine elektrische Größe fließen läßt, deren Betrag proportional dem inneren Widerstand des Ionenleiters ist,
• b) eine zweite Einrichtung (14; 16, 17; 23) vorhanden ist, mit der die elektrische Größe, die dem inneren Widerstand des Ionenleiters proportional ist, gemessen wird,
• c) eine dritte Einrichtung (18-20, 22) vorhanden ist, welche abwechselnd einen ersten Zeitabschnitt, in welchem der dem inneren Widerstand des Ionenleiters proportionale Strom gemessen wird, und einen zweiten Zeitabschnitt festlegt, in welchem der Innenwiderstand des Ionenleiters gemessen wird,
• d) eine vierte Einrichtung (21) vorgesehen ist, welche einen Temperaturkoeffizienten anhand der elektrischen Größe berechnet, deren Wert proportional dem Wert des Innenwiderstandes ist, und
• e) eine fünfte Einrichtung (21) vorgesehen ist, welche die Ausgangsgröße der zweiten Einrichtung (14; 16, 17; 23) entsprechend der Ausgangsgröße der vierten Einrichtung (21) korrigiert.

2. Sauerstoffkonzentrationsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode (1 b) des Sauerstoffkonzentrationsfühlers (1) durch eine Schicht (1 e) vor Fremdmaterialien geschützt ist.

3. Sauerstoffkonzentrationsfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (Fig. 9) eine erste Energieversorgung, welche zum Messen eines Grenzstroms des Fühlers (1) verwendet wird, und eine einen festen Strom abgebende Quelle (13 a) aufweist, welche zum Messen des Innenwiderstandes des Fühlers (1) verwendet wird.

4. Sauerstoffkonzentrationsfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Einrichtung einen elektrischen Stromdetektor (14) aufweist.

5. Sauerstoffkonzentrationsfühler nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Einrichtung einen Strom/Spannungswandler (23) aufweist.

6. Sauerstoffkonzentrationsfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Einrichtung eine erste Halteschaltung (16) für den Wert des Grenzstroms, welcher während des letzten ersten Zeitabschnitts festgestellt wurde, und eine zweite Halteschaltung (17) für den Wert der Stromgröße aufweist, welcher proportional zu dem Wert des Innenwiderstands ist, welcher während des letzten Teils des zweiten Zeitabschnitts festgestellt wurde.

7. Sauerstoffkonzentrationsfühler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Halteschaltungen (16, 17) jeweils eine Abfragehalteschaltung aufweisen.

8. Sauerstoffkonzentrationsfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Einrichtung aufweist

• f) einen Regelsignalgenerator, welcher ein Regelsignal erzeugt, dessen Zeit abwechselnd dem ersten und dem zweiten Zeitabschnitt zugeteilt wird;
• g) einen Umschalter (22), welcher zwischen der ersten Stromquelle (12), welche zum Messen eines Grenzstroms des Fühlers (1) verwendet wird, und einer Ansteuerquelle umschaltet, welche zum Messen des Innenwiderstandes des Fühlers verwendet wird, um die erste Stromquelle (12), welche zum Messen eines Grenzstroms des Fühlers (1) verwendet wird, mit dem Sauerstoffkonzentrationsfühler (1) während des ersten Zeitabschnitts zu verbinden, und um die Ansteuerquelle, welche zum Messen des Innenwiderstandes des Fühlers (1) verwendet wird, mit dem Sauerstoffkonzentrationsfühler (1) während des zweiten Zeitabschnitts zu verbinden;
• h) einen ersten monostabilen Multivibrator (15 b), welcher entsprechend dem Regelsignal gesteuert wird und welcher ein Zeitsteuersignal abgibt, entsprechend welchem ein Grenzstrom des Fühlers (1) während des ersten Zeitabschnitts festgestellt wird, und
• i) einen zweiten monostabilen Multivibrator (15 c), welcher entsprechend dem Regelsignal gesteuert wird und welcher ein Zeitsteuersignal abgibt, entsprechend welchem der Innenwiderstand des Fühlers (1) während des zweiten Abschnitts festgestellt wird.

9. Sauerstoffkonzentrationsfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vierte Einrichtung folgende Einrichtungen umfaßt;

• j) eine erste Recheneinrichtung (18), welche einen festgelegten Wert, der ein positives Signal umfaßt, zu der Strommenge addiert, deren Wert proportional zu dem Wert des Innenwiderstands ist;
• k) eine zweite Recheneinrichtung (19), welche den festgelegten Wert, der ein negatives Signal umfaßt, zu der Strommenge addiert, deren Wert proportional zu dem Wert des Innenwiderstands ist, und
• l) eine dritte Recheneinrichtung (20), welche das Verhältnis der Ausgänge der ersten und zweiten Recheneinrichtung (18, 19) berechnet.

10. Sauerstoffkonzentrationsfühler nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die erste, zweite und dritte Recheneinrichtung (18 bis 20) Analogrechner sind und daß die ersten und zweiten Recheneinrichtungen (18, 19) aus Widerständen gebildet sind.

11. Sauerstoffkonzentrationsfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vierte Einrichtung eine Addiereinrichtung (21) ausweist, welche einen festgelegten Wert zu der Strommenge addiert, deren Wert proportional zu dem Wert des Innenwiderstandes ist.

12. Sauerstoffkonzentrationsfühler nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Addiereinrichtung ein aus Widerständen gebildeter Analogaddierer ist.