DE4037740A1 - Messeinrichtung zum ermitteln eines luft/brennstoff-verhaeltnisses - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Sauerstoff- Meßeinrichtung für das Messen der Sauerstoffkonzentration in Verbrennungsabgasen wie denjenigen aus Kraftfahrzeug-Brenn­ kraftmaschinen oder aus verschiedenerlei industriellen Feuerungen und insbesondere auf einen Sauerstoffsensor, der für ein Verbrennungsregelsystem für Brennkraftmaschinen oder industrielle Feuerungen dazu eingesetzt wird, das Luft/ Brennstoff-Verhältnis eines der Maschine oder der Feuerung zugeführten Luft/Brennstoff-Gemisches zu ermitteln.

Für das Ermitteln der Sauerstoffkonzentration von Verbren­ nungsabgasen beispielsweise aus Kraftfahrzeug-Brennkraft­ maschinen, industriellen Feuerungen oder Kesseln sind ver­ schiedenartige Sauerstoffsensoren bekannt. Beispielsweise ist ein Sensor bekannt, in welchem ein Zirkondioxid-Keramik­ material oder ein anderes, für Sauerstoffionen leitfähiges Trockenelektrolytmaterial verwendet wird und der zum Bestim­ men der Sauerstoffkonzentration nach dem Prinzip einer Sauerstoffkonzentrationszelle betrieben wird. Für das Be­ treiben einer Brennkraftmaschine ist es erforderlich, das Luft/Brennstoff-Verhältnis eines der Maschine zugeführten Luft/Brennstoff-Gemisches auf genaue Weise derart zu steuern, daß das tatsächliche Verhältnis mit einem Sollwert oder Nominalwert übereinstimmt. Im allgemeinen wird dieses Luft/Brennstoff-Verhältnis durch das Messen der Sauerstoff­ konzentration in den Abgasen ermittelt, die sich als Funkti­ on des Luft/Brennstoff-Verhältnisses des der Maschine zuge­ führten Gemisches ändert. Einem Brennstoffzufuhrsteuersystem der Maschine wird ein dem Luft/Brennstoff-Verhältnis ent­ sprechendes Signal zugeführt, um damit die zuzuführende Brennstoffmenge zu bestimmen, nämlich die Brennstoffzufuhr unter Rückführung derart zu regeln, daß das tatsächliche Luft/Brennstoff-Verhältnis mit dem gewünschten Wert überein­ stimmt.

Als eine Art eines solchen als Luft/Brennstoff-Verhältnis- Sensor eingesetzten Sauerstoffsensors ist aus der JP-OS 59- 1 90 652 ein sog. Doppelzellensensor bekannt, der zwei elek­ trochemische Zellen, nämlich eine Pumpzelle und eine Meßzel­ le hat. Mit dem Sensor dieser Art kann nicht nur an stöchio­ metrischen Abgasen gemessen werden, die bei der Verbrennung eines Gemisches abgegeben werden, dessen Luft/Brennstoff- Verhältnis gleich dem stöchiometrischen Wert (14,6) ist oder nahe an diesem liegt, sondern auch an Magerverbrennungs- oder Fettverbrennungs-Abgasen, die bei der Verbrennung eines mageren oder eines fetten Gemisches abgegeben werden, dessen Luft/Brennstoff-Verhältnis größer bzw. kleiner als das stöchiometrische Verhältnis ist. In diesem Doppelzellensen­ sor für das Ermitteln des Luft/Brennstoff-Verhältnisses ist in einem Meßelement des Sensors ein innerer Gasdiffusions­ raum gebildet, in den aus einem äußeren Meßgasraum gegen einen vorbestimmten Diffusionswiderstand ein Meßgas bzw. das Abgas eingeleitet wird. Die elektrochemische Sauerstoff- Meßzelle hat eine der Atmosphäre bzw. dem Gas in dem inneren Gasdiffusionsraum ausgesetzte Meßelektrode und eine Bezugs­ elektrode, die einer Bezugsatmosphäre bzw. einem Bezugsgas mit vorbestimmten Sauerstoff-Partialdruck ausgesetzt ist. Diese Meßzelle erzeugt ein Ausgangssignal in Form einer EMK, die nach dem Prinzip einer Sauerstoffkonzentrationszelle induziert wird. Die elektrochemische Sauerstoff-Pumpzelle hat eine dem Meßgas in dem äußeren Meßgasraum ausgesetzte äußere Pumpelektrode und eine dem Gas in dem inneren Gasdif­ fusionsraum ausgesetzte innere Pumpelektrode. Diese Pumpzel­ le wird zu einem Pumpen von Sauerstoff in der Weise betrie­ ben, daß dadurch die Atmosphäre bzw. das Gas in dem inneren Gasdiffusionsraum gesteuert wird. Das derart gestaltete Element dient dazu, die Sauerstoffkonzentration im Meßgas aus einem Pumpstrom zu bestimmen, der der Pumpzelle für ein Pumpen des Sauerstoffs zugeführt wird, durch das die Sauer­ stoffkonzentration des Gases in dem inneren Gasdiffusions­ raum derart geregelt wird, daß die von der Meßzelle erzeugte EMK mit einem vorbestimmten Wert übereinstimmt.

Falls hinsichtlich des Sauerstoff-Partialdrucks eine Diffe­ renz zwischen dem mit der Meßelektrode der Meßzelle in Berührung stehendem Gas in dem Gasdiffusionsraum und dem mit der inneren Pumpelektrode der Pumpzelle in Berührung stehen­ den Gas entsteht, hat das in dem Sensor dieser Art zur Folge, daß die Ansprechempfindlichkeit verringert wird und die Pumpzelle verschlechtert wird.

Im Hinblick darauf wurde in der US-PS 46 45 572 (JP-OS 61- 1 94 345) ein Verfahren zum Bestimmen der Konzentration einer vorgegebenen Komponente (wie Sauerstoff) in dem Meßgas vorgeschlagen. In dem in der US-PS beschriebenen Sauerstoff­ sensor sind ein erster Trockenelektrolytkörper der Sauer­ stoffmeßzelle und ein zweiter Trockenelektrolytkörper der Sauerstoffpumpzelle miteinander elektrisch durch eine dazwi­ schen eingefügte Trockenelektrolytschicht verbunden. Ferner sind die Meßelektrode der Meßzelle und die innere oder die äußere Elektrode der Pumpzelle an einen Bezugsleiter (z. B. Masseleiter) angeschlossen, der ein Bezugspotential für das Durchlassen eines Pumpstroms durch die Pumpzelle liefert. Da die Meßelektrode und die innere oder äußere Pumpelektrode das gleiche Potential haben, fließt ein Teil des der Pump­ zelle zugeführten Pumpstroms zu der Meßelektrode der Meßzel­ le hin ab. Hierdurch wird durch den von der Pumpzelle ab­ fließenden Leckstrom ein zusätzliches Pumpen an der Meßelek­ trode der Meßzelle herbeigeführt. Infolgedessen ermöglicht es der Sauerstoffsensor in dieser Ausführung, das Sensoraus­ gangssignal hinsichtlich der Sauerstoff-Partialdruck-Diffe­ renz zwischen dem Gas, das mit der Meßelektrode in Berührung steht bzw. diese umgibt, und dem Gas zu korrigieren, das die innere Pumpelektrode berührt oder umgibt.

Eine weitere Untersuchung des Sauerstoffsensors der vorste­ hend beschriebenen Art hat jedoch gezeigt, daß der von der Pumpzelle zur Meßzelle fließende Leckstrom infolge des Potentialabfalls an Widerständen eine Potentialänderung an der Meßzelle verursacht, wodurch die Meßgenauigkeit des Sauerstoffsensors verringert wird. Da sich außerdem das Ausmaß der durch den Widerstands-Potentialabfall verursach­ ten Potentialänderung mit dem Innenwiderstand des Trocken­ elektrolytkörpers der Meßzelle verändert, wird die Meßge­ nauigkeit des Sensors in starkem Ausmaß von der Temperatur der Meßzelle abhängig.

Ferner bewirkt die zusätzliche Pumpfunktion der Meßelektrode durch den Leckstrom bei der Ionisation des Sauerstoffs einen Potentialabfall an der Meßelektrode. Dieser Potentialabfall verändert die Ausgangskennlinie der Meßzelle und verringert die Meßgenauigkeit des Sauerstoffsensors. Das Ausmaß dieses durch das zusätzliche Pumpen verursachten Potentialabfalls an der Meßelektrode ist wahrscheinlich durch den Oberflä­ chenzustand der Meßelektrode oder einer die Elektrode be­ deckenden Schutzschicht beeinflußt, nämlich durch eine Änderung des Gasdiffusionswiderstands um die Meßelektrode herum. Im einzelnen wird dann, wenn sich der Gasdiffusions­ widerstand durch Gasabsorption oder Ablagerung von Fremd­ teilchen während des Einsatzes des Sensors verändert, in beträchtlichem Ausmaß die Ausgangskennlinie des Sauerstoff­ sensors verändert, wodurch es schwierig wird, eine ausrei­ chend hohe zeitliche Betriebsstabilität und Zuverlässigkeit des Sensors sicherzustellen.

Die verringerte Funktionsgenauigkeit des Sensors oder die zeitliche Änderung der Ausgangskennlinie des Sensors, die sich aus dem Abfließen des Pumpstroms von der Pumpzelle zur Meßzelle hin ergeben, sind insbesondere dann schwerwiegend, wenn der Pumpstrom verhältnismäßig stark ist, nämlich dann, wenn der Sauerstoffsensor als Luft/Brennstoff-Verhältnis- Sensor an Magerverbrennungs- oder Fettverbrennungs-Abgasen eingesetzt ist, die durch Verbrennung eines Gemisches ent­ stehen, dessen Luft/Brennstoff-Verhältnis größer oder klei­ ner als das stöchiometrische Verhältnis ist. In diese Hin­ sicht ist der vorstehend beschriebene bekannte Sauerstoff­ sensor zu verbessern.

In Anbetracht der vorstehend beschriebenen Probleme bei den bekannten Sensoren liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Meßeinrichtung zum Ermitteln eines Luft/Brennstoff- Verhältnisses eines Gemisches zu schaffen, die an Abgasen aus einer Magerverbrennung und/oder Fettverbrennung einsetz­ bar ist und in der ein zusätzliches Pumpen durch einen von einer Pumpzelle zu einer Meßzelle abfließenden Leck-Pump­ strom herbeigeführt wird, um hinsichtlich des Sauerstoff- Partialdrucks eine Differenz zwischen dem eine Meßelektrode der Meßzelle umgebenden Gas und dem eine innere Pumpelektro­ de einer Pumpzelle umgebenden Gas derart aufzuheben, daß der das Pumpen bewirkende Leckstrom eine verringerte oder mini­ male Beeinträchtigung der Meßgenauigkeit und der zeitlichen Betriebsstabilität bzw. der Ausgangskennlinie der Meßein­ richtung ergibt.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit der Meßeinrichtung gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Demnach hat die Meßeinrich­ tung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 eine Ver­ bindungsvorrichtung, die die erste oder die zweite Elektrode der Pumpzelle mit einem Bezugsleiter verbindet, an dem ein Bezugspotential für das Durchlassen eines Pumpstroms durch die Pumpzelle anliegt, und einen in dem die dritte Elektrode der Meßzelle mit dem Bezugsleiter verbindenden Leitungsweg angebrachten elektrischen Widerstand, dessen Widerstandswert die Stärke eines Leckstroms bestimmt, welcher von der Pump­ zelle zu der Meßzelle abfließt.

Versuche und Untersuchungen des Doppelzellen-Sensors zur Ermittlung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses haben folgende zwei Gesichtspunkte ergeben:

Hinsichtlich des Partialdrucks einer Gaskomponente ist der Unterschied zwischen dem Gas an der Meßelektrode bzw. drit­ ten Elektrode der Meßzelle und dem Gas an der inneren Elek­ trode bzw. zweiten Elektrode der Pumpzelle verhältnismäßig gering, so daß daher ein zusätzliches Pumpen mittels der Meßelektrode und der inneren Pumpelektrode durch einen Leck- Pumpstrom zum Kompensieren dieser Partialdruck-Differenz an dem Sensorausgangssignal auch dann ausreichend wirksam ist, wenn der Leckstrom verhältnismäßig schwach ist. Durch Ver­ ringern der Stärke des Leckstroms können der durch den Leckstrom verursachte Widerstands-Potentialabfall an der Meßzelle und der von dem Leckstrom durch Sauerstoffionisa­ tion verursachte Potentialabfall an der Meßelektrode wir­ kungsvoll verringert werden, wodurch dementsprechend die Meßgenauigkeit und die zeitliche Stabilität der Ausgangs­ kennlinie verbessert werden. Die erfindungsgemäße Meßein­ richtung wurde von diesen Erkenntnissen ausgehend entwic­ kelt.

In der auf die vorstehend beschriebene Weise gestalteten Meßeinrichtung für das Ermitteln des Luft/Brennstoff- Verhältnisses ist der elektrische Widerstand in der Lei­ tungsbahn zwischen der dritten Elektrode der Meßzelle und dem Bezugsleiter angebracht, der ein Bezugspotential für das Durchlassen des Pumpstroms zwischen der ersten und der zweiten Elektrode der Pumpzelle hat. Infolgedessen ist die Potentialdifferenz zwischen der ersten oder zweiten Elektro­ de und der dritten Elektrode, zu der ein Teil des Pumpstroms von der ersten oder zweiten Elektrode her fließt, um den Potentialabfall an dem Widerstand kleiner als die Potential­ differenz zwischen der ersten und der zweiten Elektrode, zwischen denen der Pumpstrom fließt.

Daher kann abhängig von dem Widerstandswert des Widerstands der Leckstrom verhältnismäßig klein gehalten werden. Infol­ gedessen kann eine Verschlechterung der Meßgenauigkeit und der zeitlichen Ausgangssignalstabilität der Meßeinrichtung vermieden oder auf ein Mindestmaß herabgesetzt werden, während zugleich ein wirkungsvolles zusätzliches Pumpen für das Verbessern der Ansprechempfindlichkeit der Meßeinrich­ tung dadurch gewährleistet ist, daß der von der Pumpzelle zu der dritten Elektrode der Meßzelle abfließende Leckstrom für das zusätzliche Pumpen genutzt wird.

Der elektrische Widerstand kann als ein eingebautes Teil des Meßelements der Meßeinrichtung ausgebildet sein oder in eine elektrische Schaltung eingegliedert sein, die außerhalb des Meßelements angebracht und elektrisch an dieses angeschlos­ sen ist.

Für das Verbessern der Meßgenauigkeit und der Ausgangssi­ gnalstabilität der Meßeinrichtung ist es vorteilhaft, daß der elektrische Widerstandswert des elektrischen Widerstands derart festgelegt wird, daß das Verhältnis der Leckstrom­ stärke zur Gesamtstärke des der Pumpzelle zugeführten Pump­ stroms in einem Bereich von 0,1 bis 5%, vorzugsweise in einem Bereich von 0,5 bis 3% liegt.

An den Bezugsleiter kann die den eingeleiteten Abgasen ausgesetzte zweite Elektrode der Pumpzelle angeschlossen sein. Die dritte Elektrode der Meßzelle kann über den elek­ trischen Widerstand mit Masse verbunden werden, die als Bezugsleiter dient. Die mit dem Bezugsleiter verbundene erste oder zweite Elektrode der Pumpzelle kann mit der dritten Elektrode der Meßzelle über den elektrischen Wider­ stand verbunden werden.

Wenn ein Heizkörper mit einem Heizelement für das Erwärmen der Pumpzelle und der Meßzelle vorgesehen ist, kann der elektrische Widerstand mit dem Bezugsleiter über einen Anschluß verbunden werden, über den das Heizelement des Heizkörpers mit einer Heizstromquelle für das Betreiben des Heizelements verbunden ist. Alternativ kann der elektrische Widerstand in einen Leitungsweg zwischen der dritten Elek­ trode der Meßzelle und einem Differenzverstärker geschaltet werden, welcher die Ausgangssignale der dritten und der vierten Elektrode der Meßzelle aufnimmt und ein Ausgangssi­ gnal abgibt, das der zwischen der dritten und der vierten Elektrode induzierten EMK entspricht.

Zwischen den ersten und den zweiten Trockenelektrolytkörper der Pumpzelle bzw. der Meßzelle kann ein Trockenelektrolyt- Zwischen- bzw. Verbindungskörper eingesetzt werden, welcher mit dem ersten und dem zweiten Trockenelektrolytkörper zum Bilden eines Gasdiffusionsraums als Diffusionswiderstands­ vorrichtung zusammenwirkt. Der Gasdiffusionsraum kann ein dünner flacher Raum sein. In diesem Fall können die zweiten und die dritte Elektrode der Pumpzelle bzw. Meßzelle in Dickenrichtung des dünnen flachen Raums einander gegenüber­ gesetzt angeordnet werden, so daß sie zum Teil diesen Raum begrenzen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbei­ spielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 ist eine schematische Schnittseitenan­ sicht eines Meßelements eines Sauerstoffsensors der Luft/ Brennstoff-Verhältnis-Meßeinrichtung gemäß einem Ausfüh­ rungsbeispiel.

Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht, die den Aufbau des Meßelements des Sauerstoffsensors gemäß Fig. 1 zeigt.

Fig. 3 ist eine Teilseitenansicht, die ein Beispiel für die elektrischen Funktionen des Sauerstoffsen­ sors nach Fig. 1 veranschaulicht.

Fig. 4 bis 7 sind grafische Darstellungen von Ausgangskennlinien und Meßgenauigkeiten bei einigen Ausfüh­ rungsformen des dem Sensor nach Fig. 1 gleichartigen Sauer­ stoffsensors, welche unterschiedliche Verhältnisse zwischen Leckstrom und Pumpstrom haben.

Fig. 8 ist eine schematische Schnittseitenan­ sicht eines Meßelements eines Sauerstoffsensors als zweites Ausführungsbeispiel der Meßeinrichtung.

Fig. 9 zeigt einen invertierenden Verstärker mit zwei Widerständen, der in dem Sauerstoffsensor nach Fig. 8 anstelle einer mit einem Pfeil a bezeichneten elektrischen Schaltungsanordnung eingesetzt werden kann.

In den schematischen Darstellungen in Fig. 1 und 2 ist mit 10 ein Meßelement eines Sauerstoffsensors der als ein Aus­ führungsbeispiel der Erfindung gestalteten Meßeinrichtung zum Ermitteln eines Luft/Brennstoff-Verhältnisses bezeich­ net. Das Meßelement 10 hat eine elektrochemische Sauerstoff- Pumpzelle 12 und eine elektrochemische Sauerstoff-Meßzelle 14, die nachstehend ausführlich beschrieben werden.

Die Pumpzelle 12 besteht allgemein aus einem langgestreckten flachen ersten Trockenelektrolytkörper 16 sowie aus einer äußeren Pumpelektrode 18 als erste Elektrode und einer inneren Pumpelektrode 20 als zweite Elektrode, die an den einander gegenüberliegenden Hauptflächen des ersten Trocken­ elektrolytkörpers 16 derart ausgebildet sind, daß sie mit­ einander in einer zur Ebene des Trockenelektrolytkörpers 16 senkrechten Richtung gesehen ausgerichtet sind. Der erste Trockenelektrolytkörper 16 besteht aus einem für Sauerstoff­ ionen leitfähigen Trockenelektrolyt wie einem Zirkondioxid- Keramikmaterial, das Yttriumoxid enthält. Die äußere und die innere Pumpelektrode 18 bzw. 20 sind aus einem Metall wie Platin oder einem Cermet hieraus geformt, wobei das Metall oder das Cermet als Katalysator für das Unterstützen einer elektrochemischen Sauerstoffreaktion dient. Die äußeren Flächen des ersten Trockenelektrolytkörpers 16 und der äußeren Pumpelektrode 18 sind mit einer porösen Schutz­ schicht 22 aus einem geeigneten elektrisch isolierenden Material wie Aluminiumoxid überdeckt, so daß der Trocken­ elektrolytkörper 16, die Elektroden 18 und 20 und die Schutzschicht 22 eine Einheit mit laminarer Struktur bilden.

Ähnlich wie die vorstehend beschriebene Pumpzelle 12 besteht die Meßzelle 14 aus einem allgemein langgestreckten flachen zweiten Trockenelektrolytkörper 26 sowie aus einer Meßelek­ trode 28 als dritte Elektrode und einer Bezugselektrode 30 als vierte Elektrode, die in Berührung mit dem zweiten Trockenelektrolytkörper 26 ausgebildet sind. Der zweite Trockenelektrolytkörper 26 besteht beispielsweise aus einem Zirkondioxid-Keramikmaterial mit darin enthaltenem Yttrium­ oxid in drei Trockenelektrolytschichten 27, 44 und 46, die in der Richtung ihrer Dicke übereinander geschichtet sind. Die Meßelektrode 28 und die Bezugselektrode 30 bestehen gleichfalls aus einem Metall wie Platin oder einem Cermet bzw. einer Keramikmetallverbindung. Die äußeren Flächen der Meßelektrode 28 und eines Teils der oberen Schicht 27 des zweiten Trockenelektrolytkörpers 26 sind in einem von einer beispielsweise aus Aluminiumoxid bestehenden porösen Schutz­ schicht 32 überdeckt.

Zwischen die Pumpzelle 12 und die Meßzelle 14 sind eine allgemein rahmenförmige Verbindungs-Trockenelektrolytschicht 34 aus einem für Sauerstoffionen leitfähigen Trockenelektro­ lyt wie Zirkondioxid-Keramikmaterial mit darin enthaltenen Yttriumoxid und eine Isolierschicht 35 aus einem geeigneten elektrisch isolierendem Material wie Aluminiumoxid derart eingefugt, das gemäß Fig. 2 die Isolierschicht 35 in der gleichen Ebene mit der Verbindungs-Trockenelektrolytschicht 34 und innerhalb des Rahmens derselben angeordnet ist. Mit diesen zwischen den ersten und den zweiten Trockenelektro­ lytkörper 16 und 26 der Pumpzelle 12 bzw. der Meßzelle 14 eingefügten Schichten 34 und 35 ist ein Gasdiffusionsraum in Form eines dünnen runden flachen Raums 36 begrenzt, der als Diffusionswiderstandsvorrichtung mit einem vorbestimmten Widerstand gegen das Eindiffundieren von Gas dient. Das heißt, der dünne flache Gasdiffusionsraum 36 hat die gleiche Dicke wie die Verbindungs-Trockenelektrolytschicht 34 bzw. die Isolierschicht 35. Der mittige Bereich des Gasdiffusions­ raums 36 steht über eine Gaseinlaßöffnung 38 mit einem äußeren Meßgasraum 40 in Verbindung, in dem sich Abgase als Meßgas befinden, aus dem das Luft/Brennstoff-Verhältnis ermittelt wird. Die Gaseinlaßöffnung 38 ist durch die Dicke des ersten Trockenelektrolytkörpers 16 und der porösen Schutzschicht 22 hindurch ausgebildet. Im Betrieb werden die Abgase aus dem äußeren Meßgasraum 40 durch die Gaseinlaßöffnung 38 hindurch eingelassen und gegen den vorbestimmten Diffusionswiderstand in den dünnen flachen Gasdiffusionsraum 36 eindiffundiert.

In dem zweiten Trockenelektrolytkörper 26 der Meßzelle 14 ist parallel zu dessen Ebene ein langgestreckter rechtecki­ ger Luftdurchlaß 48 ausgebildet, der sich in der Längsrich­ tung erstreckt und mit der Umgebungsluft als Bezugsgas in Verbindung steht. Im einzelnen ist in der mittleren Schicht 44 des zweiten Trockenelektrolytkörpers 26 ein langgestreck­ ter rechteckiger Schlitz ausgebildet, der mit der oberen Schicht 27 und der unteren Schicht 46 zum Bilden des Luft­ durchlasses 48 zusammenwirkt. An der unteren Schicht 46 des zweiten Trockenelektrolytkörpers 26 ist die Bezugselektrode 30 derart ausgebildet, daß sie zu dem mit der Umgebungsluft in Verbindung stehenden Luftdurchlaß 48 hin freiliegt.

Die äußere Elektrode 18 der Pumpzelle 12 liegt über die poröse Schutzschicht 22 zu dem äußeren Meßgasraum 40 hin frei, d. h., sie ist den Meßgasen oder Abgasen in dem Meßgas­ raum 40 ausgesetzt. Die innere Elektrode 20 der Pumpzelle 12 und die Meßelektrode 28 der Meßzelle 14 liegen zu dem runden flachen Raum 36 hin frei, so daß diese Elektroden 20 und 28 in Verbindung oder Berührung mit dem Gas in dem flachen Raum 36 gehalten sind, welches aus dem gegen den vorbestimmten Diffusionswiderstand eingeleiteten Meßgas besteht. Ferner liegt die Bezugselektrode 30 der Meßzelle 14 zu dem Luft­ durchlaß 48 hin frei, so daß sie in Verbindung oder Berüh­ rung mit der Umgebungsluft in dem Luftdurchlaß 48 gehalten ist. Die Elektroden 18, 20 und 28 der Pumpzelle 12 bzw. der Meßzelle 14 sind über jeweilige elektrische Leitungen an eine nachfolgend beschriebene elektrische Schaltung ange­ schlossen. Gemäß Fig. 2 ist jeweils zwischen die elektri­ schen Leitungen für die Elektroden 18, 20 und 28 und den ersten oder zweiten Trockenelektrolytkörper 16 oder 26, an dem die Elektrode 18, 20 oder 28 ausgebildet ist, eine elektrisch isolierende Schicht 42 eingefügt.

An der von der Pumpzelle 12 abgewandten äußeren Hauptfläche der unteren Schicht 46 des zweiten Trockenelektrolytkörpers 26 ist ein Keramikheizkörper 54 mit einem Schichtenaufbau aus einem Heizelement 50 und zwei elektrisch isolierenden Keramikschichten 52 und 53 gebildet, zwischen die das Heiz­ element 50 eingelegt ist. Diser Keramikheizkörper 54 dient zum Erwärmen der Pumpzelle 12 und der Meßzelle 14 auf eine geeignete Betriebstemperatur. Der Keramikheizkörper 54 ist an seinem Außenumfang von einem gasdichten Keramikrahmen 55 umgeben und zwischen der unteren Trockenelektrolytschicht 46 und einer gasdichten Keramikplatte 57 eingefaßt, deren Außenfläche von einer elektrisch isolierenden Schicht 59 bedeckt ist.

In dem vorstehend beschriebenen Meßelement 10 des Sauer­ stoffsensors ist die elektrische Zuleitung der äußeren Elektrode 18 der Pumpzelle 12 jeweils über einen ersten und einen zweiten Nebenschlußwiderstand 64 bzw. 66 mit einem Außenanschluß 68 bzw. 70 verbunden, während die Zuleitung der Meßelektrode 28 der Meßzelle 14 mit einem Außenanschluß 72 verbunden ist. Ferner sind die Zuleitungen der Meßelek­ trode 28 und der inneren Pumpelektrode 20 miteinander über einen elektrischen Widerstand 56 derart verbunden, daß ein Zuleitungsabschnitt zwischen dem Widerstand 56 und der Meßelektrode 28 mit dem Außenanschluß 72 verbunden ist und ein Zuleitungsabschnitt zwischen dem Widerstand 56 und der inneren Pumpelektrode 20 mit einem anderen Außenanschluß 60 verbunden ist. Ferner ist das Heizelement 50 mit diesem Außenanschluß 60 und einem Außenanschluß 62 verbunden, über die dem Heizelement 50 zu dessen Betreiben ein Heizstrom zugeführt wird.

Der erste und der zweite Nebenschlußwiderstand 64 und 66 und der Widerstand 56 werden durch Aufdrucken unter Verwendung einer bekannten Dickfilm-Presse für Dickfilm-Widerstände auf einen Sinterkörper des Meßelements 10 und Brennen der aufge­ brachten Paste derart hergestellt, daß gemäß Fig. 2 die erhaltenen Widerstände 64, 66 und 56 einen Teil der auf der Isolierschicht 42 ausgebildeten betreffenden Zuleitungen überdecken.

Das auf diese Weise gestaltete Meßelement 10 des Sauerstoff­ sensors ist elektrisch mit der in Fig. 1 gezeigten externen Schaltung verbunden, die die verschiedenen elektrischen Funktionen des Meßelements 10 steuert. Im einzelnen ist der Außenanschluß 60 geerdet, nämlich als Bezugsleiter für ein Bezugspotential geschaltet, d. h. mit der Masse eines Kraft­ fahrzeugs oder mit Erde verbunden. Über den geerdeten Außen­ anschluß 60 ist das Potential der inneren Elektrode 20 der Pumpzelle 12 auf ein Bezugspotential für einen Pumpstrom gelegt, der zwischen der äußeren Elektrode 18 und der inne­ ren Elektrode 20 durch den ersten Trockenelektrolytkörper 16 fließt. Andererseits ist die Meßelektrode 28 der Meßzelle 14 über dem Widerstand 56 geerdet, so daß infolge des Wider­ stands 56, der einen Potentialabfall zwischen der Meßelek­ trode 28 und dem Bezugsleiter, wie beispielsweise der Masse verursacht, die Meßelektrode 28 auf einem Potential liegt, das von dem Bezugspotential verschieden ist. Die Differenz zwischen dem Bezugspotential und dem Potential der Meßelek­ trode 28 entspricht dem Ausmaß des durch den Widerstand 56 verursachten Potentialabfalls. Das heißt, der Widerstand 56 bildet in dem Leitungsweg zwischen der Meßelektrode 28 und dem Bezugsleiter einen geeigneten elektrischen Widerstands­ wert, so daß der elektrische Widerstandswert dieses Lei­ tungswegs größer als der Widerstandswert eines Leitungswegs zwischen der inneren Pumpelektrode 20 und dem Bezugsleiter ist. Auf diese Weise erhält die Meßelektrode 28 ein Potenti­ al, das höher als dasjenige der inneren Pumpelektrode 20 ist. Demgemäß ist die Potentialdifferenz zwischen der äuße­ ren oder inneren Pumpelektrode 18 oder 20 und der Meßelek­ trode 28 kleiner als die Potentialdifferenz zwischen der äußeren und der inneren Pumpelektrode 18 und 20.

Die Außenanschlüsse 60 und 62 sind mit einer externen Gleichstromquelle 74 verbunden, aus der dem Heizelement 50 zu dessen Betreiben über die Außenanschlüsse 60 und 62 der Heizstrom zugeführt wird.

Die mit der Meßelektrode 28 bzw. der Bezugselektrode 30 der Meßzelle 14 verbundenen Außenanschlüsse 72 und 58 sind jeweils über einen Verstärker 76 bzw. 78 an einen Differenz­ verstärker 80 angeschlossen. Das heißt, die Verstärker 76 und 78 geben Ausgangssignale ab, die jeweils dem an der Meßelektro­ de 28 bzw. der Bezugselektrode 30 anliegenden Potentialen entsprechen, welche sich in Abhängigkeit von der Sauerstoff­ konzentration des Gases in dem dünnen flachen Gasdiffusions­ raum 36 ändern. Die Ausgangssignale der Verstärker 76 und 78 werden dem Differenzverstärker 80 zugeführt, der ein Aus­ gangssignal abgibt, das der Potentialdifferenz zwischen der Meßelektrode 28 und der Bezugselektrode 30 entspricht.

An den Ausgang des Differenzverstärkers 80 ist ein Verglei­ cher 82 angeschlossen, dessen Ausgang mit einem Spannung/ Strom- bzw. V/I-Umsetzer 84 verbunden ist. Der Ausgangs des V/I-Umsetzers 84 ist über zwei getrennte Leiterbahnen mit den Außenanschlüssen 68 und 70 verbunden, die mit der äuße­ ren Elektrode 18 der Pumpzelle 12 in Verbindung stehen. Bei diesem Schaltungsaufbau wird das Ausgangssignal des Diffe­ renzverstärkers 80, das der Potentialdifferenz zwischen den Elektroden 28 und 30 der Meßzelle 14 entspricht, dem Ver­ gleicher 82 zugeführt, der die aufgenommene Potentialdiffe­ renz mit einer Bezugsspannung 86 vergleicht und eine das Vergleichsergebnis anzeigende Spannung abgibt. Die von dem Vergleicher 82 abgegebene Spannung wird dann durch den V/I- Umsetzer 84 in einen entsprechenden positiven oder negativen Strom umgesetzt, der als Pumpstrom der Pumpzelle 12 zuge­ führt wird.

Damit ist auf bekannte Weise die externe elektrische Schal­ tung derart ausgelegt, daß der Pumpzelle 12 der von der durch die Meßzelle 14 erzeugten EMK ausgehend bestimmte Pumpstrom zugeführt wird, wodurch die Pumpzelle 12 einen Sauerstoffpumpvorgang derart ausführt, daß die Sauerstoff­ konzentration des Gases in dem flachen Gasdiffusionsraum 36 auf einem vorbestimmten Wert gehalten wird. Dieser vorbe­ stimmte Wert entspricht dem stöchiometrischen Verhältnis (14,6) eines Luft/Brennstoff-Verhältnisses eines Gemisches, das als Verbrennungsergebnis die Abgase als Meßgas ergibt. Infolgedessen kann die Sauerstoffkonzentration des Meßgases in dem äußeren Meßgasraum 40 aus dem Pumpstrom ermittelt werden, der zwischen zwei Ausgangsanschlüssen 88 und 90 gemessen wird, welche zwischen dem V/I-Umsetzer 84 und einem der Außenanschlüsse 68 und 70 angeordnet sind, die mit der äußeren Pumpelektrode 18 in Verbindung stehen. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Ausgangsanschlüsse 88 und 90 in dem Leitungsweg zwischen dem Umsetzer 84 und dem Außenan­ schluß 68 angeordnet.

Es ist ersichtlich, daß die Stärke des Pumpstroms durch das Messen eines Stroms ermittelt wird, der über eine der beiden Leiterbahnen für das Verbinden des V/I-Umsetzers 84 mit der äußeren Pumpelektrode 18 fließt. Das heißt, die Stromstärken der Ströme, die über diese beiden Leiterbahnen fließen, können relativ zueinander durch geeignetes Festlegen der Wider­ standswerte des ersten und des zweiten Nebenschlußwider­ stands 64 bzw. 66 geändert werden. Infolgedessen erlaubt es die geeignete Festlegung der Widerstandswerte der beiden Nebenschlußwiderstände 64 und 66, daß die Meßelemente von einzelnen Sauerstoffsensoren im wesentlichen den gleichen Zusammenhang zwischen der Pumpstromstärke und der Sauer­ stoffkonzentration in dem Meßgas zeigen. Das heißt, durch das geeignete Festlegen der Widerstandswerte der Nebenschlußwi­ derstände 64 und 66 kann eine ansonsten mögliche Abweichung der tatsächlichen Abhängigkeit bei dem jeweiligen Sauer­ stoff-Meßelement von der nominellen Abhängigkeit ausgeschal­ tet werden.

Der erste Trockenelektrolytkörper 16 der Pumpzelle 12 und der zweite Trockenelektrolytkörper 26 der Meßzelle 14 sind zum Teil miteinander elektrisch über die Verbindungs- Trockenelektrolytschicht 34 verbunden. Während des Meßvor­ gangs mit diesem Sauerstoffsensor fließt daher ein Teil des Pumpstroms von der Pumpzelle 12 zu der Meßzelle 14 ab, d. h., es fließt von der äußeren Pumpelektrode 18 zu der Meßelek­ trode 28 hin oder umgekehrt ein Leckstrom. Infolgedessen wirken die äußere Pumpelektrode 18 und die Meßelektrode 28 mit dem ersten und zweiten Trockenelektrolytkörper 16 bzw. 26 zu einem zusätzlichen Pumpvorgang mit dem zwischen den Elektroden 18 und 28 fließenden Leckstrom zusammen.

In dem Meßelement 10 gemäß der vorstehenden Beschreibung ist die Meßelektrode 28 über den Widerstand 56 mit dem Bezugs­ leiter für das Bezugspotential verbunden, während die innere Elektrode 20 der Pumpzelle 12 mit dem gleichen Bezugsleiter direkt verbunden ist. Infolgedessen ist das Potential der Meßelektrode 28 von demjenigen der inneren Pumpelektrode 20 um einen vorbestimmten Wert verschieden, der dem durch den Widerstand 56 verursachten Potentialabfall entspricht. Daher ist es durch ein geeignetes Festlegen des Widerstandswerts des Widerstands 56 möglich, die Stromstärke dieses Leck­ stroms bzw. Zusatzpumpstroms festzulegen oder zu begrenzen, der zwischen der äußeren Pumpelektrode 18 und der Meßelek­ trode 20 fließt.

Im einzelnen hat dann, wenn das Meßgas ein Magerverbre­ nungs-Abgas ist, das durch die Verbrennung eines mageren Luft/Brennstoff-Gemisches entsteht, dessen Luft/Brennstoff- Verhältnis größer als das stöchiometrische Verhältnis 14,6 ist, das Potential der äußeren Pumpelektrode 28 einen posi­ tiven Wert, der höher als derjenige des Bezugspotentials (Nullpotentials) ist, nämlich höher als derjenige des Poten­ tials der inneren Pumpelektrode 20. Infolgedessen fließt gemäß Fig. 3 als Teil eines Pumpstroms Ip ein Leckstrom Ip′ von der äußeren Pumpelektrode 18 zu der Meßelektrode 28 der Meßzelle 14. In diesem Fall dient der Widerstand 56 dazu, das Potential der Meßelektrode 28 auf einen positiven Wert einzustellen, der um ein vorgegebenes Ausmaß höher als das Bezugspotential ist, wodurch die Stromstärke dieses Leck­ stroms auf wirkungsvolle Weise begrenzt oder verringert bzw. auf geeignete Weise festgelegt werden kann. Hierzu kann das Stromstärkenverhältnis des Leckstroms zu dem gesamten Pump­ strom durch geeignetes Festlegen des Widerstandswerts des Widerstands 56 gesteuert werden.

Wenn andererseits das Meßgas ein Fettverbrennungs-Abgas ist, das bei der Verbrennung eines fetten Luft/Brennstoff- Gemisches entsteht, dessen Luft/Brennstoff-Verhältnis klei­ ner als das stöchiometrische Verhältnis ist, hat das Poten­ tial der äußeren Pumpelektrode 18 einen negativen Wert, der niedriger als derjenige des Bezugspotentials an der inneren Pumpelektrode 20 ist. Infolgedessen fließt der Leckstrom bzw. Zusatzstrom von der inneren Pumpelektrode 20 zu der Meßelektrode 28 der Meßzelle 14. In diesem Fall dient der Widerstand 56 gleichfalls zum Einstellen des Potentials der Meßelektrode 28 auf einen vorgegebenen Wert, der um ein vorgegebenes Ausmaß niedriger als derjenige des Bezugspoten­ tials ist, wodurch die Stromstärke dieses Leckstroms wir­ kungsvoll begrenzt oder verringert bzw. geeignet festgelegt werden kann und das Verhältnis des Leckstroms zu dem Pump­ strom zweckdienlich bestimmt werden kann.

Gemäß der vorstehenden Beschreibung dient der Widerstand 56 zum wirkungsvollen Begrenzen oder Steuern der Stromstärke des Leckstroms, der von der äußeren oder inneren Pumpelek­ trode 18 oder 20 zu der Meßelektrode 28 fließt. Infolgedes­ sen wird durch den Widerstand 56 der üblicherweise durch den Leckstrom verursachte Widerstands-Potentialabfall an der Meßzelle 14 verringert, so daß an diesem Sauerstoffsensor weniger wahrscheinlich oder gar nicht die durch den Wider­ stand-Potentialabfall verursachten Probleme wie eine Ver­ schlechterung der Meßgenauigkeit oder eine Erhöhung der Temperaturabhängigkeit des Meßelements auftreten. Das Ein­ setzen des Widerstands 56 erlaubt auch eine Verringerung des Potentialabfalls an der Meßelektrode 28, der durch das zusätzliche Pumpen mit dem Leckstrom aus der Pumpzelle 12 verursacht wird. Daher treten an diesem Sauerstoffsensor mit geringerer Wahrscheinlichkeit oder gar nicht die durch den Potentialabfall an der Meßelektrode 28 verursachten Probleme wie eine Verschlechterung der Meßgenauigkeit oder eine zeitliche Änderung der Arbeitskennlinien auf.

Es ist anzustreben, den Widerstandswert des Widerstands 56 derart festzulegen, daß das Verhältnis der Stromstärke des Leckstroms Ip′ zu der Gesamtstromstärke des der Pumpzelle 12 zugeführten Pumpstroms in einem Bereich von 0,1 bis 5%, vorzugsweise in einem Bereich von 0,5 bis 3% gehalten wird. Der auf diese Weise gesteuerte Leckstrom hat eine beträcht­ lich verringerte Einwirkung auf die Ausgangskennlinien der Meßzelle 14.

Wenn das Verhältnis Ip′/Ip des Leckstroms zu dem gesamten Pumpstrom niedriger als 0,1% ist, nämlich die Stromstärke des Leckstroms übermäßig niedrig ist, ergeben sich an dem Sauerstoffsensor keine zufriedenstellenden Auswirkungen des zusätzlichen Pumpens durch den Leckstrom, wie beispielsweise die Verbesserung der Ansprechempfindlichkeit des Sensors. Ferner ist in diesem Fall, bei dem das Verhältnis Ip′/Ip kleiner als 0,1% ist, eine als Antwort auf eine Änderung des Pumpstroms folgende Änderung der EMK der Meßzelle 14 um eine Phasendifferenz von mindestens π verzögert, da ein System zum Regeln des Sauerstoffsensors durch einen geschlossenen Regelkreis gebildet ist, der aus einem Aufnahmeabschnitt und einem Verstärkungsabschnitt besteht. Infolgedessen können in dem System zur Rückführung zwischen dem Aufnahmeabschnitt und dem Verstärkungsabschnitt des Regelsystems Regelschwin­ gungen auftreten. Die in dem Rückkopplungssystem auftreten­ den Regelschwingungen können zwar durch das Verringern des Verstärkungsfaktors des Verstärkungsabschnitts vermieden werden, jedoch kann diese Verringerung des Verstärkungsfak­ tors zu einer Verschlechterung der Meßgenauigkeit und der Ansprechempfindlichkeit des Rückkopplungssystems führen. Falls jedoch das Verhältnis Ip′/Ip größer als 0,1% ist, ist die Phasenverzögerung der Änderung der EMK der Meßzelle 14 in bezug auf die Änderung des Pumpstroms gleich oder kleiner als π. Daher entstehen an dem Sauerstoffsensor nicht die vorstehend aufgeführten Probleme und es können Regelschwin­ gungen vermieden werden. Falls das Verhältnis Ip′/Ip 5% übersteigt, steigt die Einwirkung des Leckstroms auf die EMK der Meßzelle 14 steil an. Aus diesen Gründen kann dann, wenn das Verhältnis Ip′/Ip in dem Bereich von 0,1 bis 5% gehalten wird, die Einwirkung des Leckstroms auf die Ausgangseigen­ schaften bzw. Ausgangskennlinie der Meßzelle 14 am wirkungs­ vollsten verringert bzw. auf ein Mindestmaß herabgesetzt werden.

Zum Untersuchen der Ausgangseigenschaften und der Meßge­ nauigkeit des auf die vorstehend beschriebenen Weise aufge­ bauten Sauerstoffsensors wurden einige Proben von Sensoren mit unterschiedlichen Verhältnissen Ip′/Ip des Leckstroms zu dem gesamten Pumpstrom im Bereich von 0 bis 15% hergestellt. Die Untersuchungsergebnisse sind in den grafischen Darstel­ lungen in Fig. 4 bis 7 gezeigt. Bei der Untersuchung gemäß Fig. 4 wurde der Leckstromanteil derart gesteuert, daß eine erste Gruppe von Probeexemplaren ein Verhältnis Ip′/Ip von höchstens 5% hatte und eine zweite Gruppe von Probeexempla­ ren ein Verhältnis Ip′/Ip von höchstens 15% hatte. Die Fig. 4 zeigt Änderungen der Ausgangssignalwerte bei jeder Gruppe der Probeexemplare in bezug auf Änderungen der Sauerstoff­ konzentration des Meßgases. In der Fig. 4 sind die Änderun­ gen der Ausgangswerte bei der ersten Gruppe durch eine ausgezogene Linie dargestellt, während diejenigen bei der zweiten Gruppe durch eine gestrichelte Linie dargestellt sind. Aus dieser grafischen Darstellung in Fig. 4 ist er­ sichtlich, daß das Ausgangssignal des Sauerstoffsensors 100% ist, wenn dieser der Umgebungsluft ausgesetzt ist. Bei der Untersuchung gemäß Fig. 5 wurde der Anteil des aus der Pumpzelle 12 abfließenden Leckstroms derart gesteuert, daß die Verhältnisse Ip′/Ip der Probeexemplare jeweils gleich 0%, 5%, 10% und 15% waren. Diese Probeexemplare wurden mehrmalig durch Messen der Sauerstoffkonzentration eines Meßgases mit 10% Sauerstoff überprüft, wobei die Schwankun­ gen der von den jeweiligen Probeexemplaren abgegebenen Ausgangssignale beobachtet wurden. Die Ergebnisse dieser Untersuchung sind in der Fig. 5 als Balkendiagramm gezeigt. Bei der Untersuchung gemäß Fig. 6 wurde der Leckstromanteil derart gesteuert, daß die Verhältnisse Ip′/Ip der Probeexem­ plare jeweils gleich 1%, 5%, 10% bzw. 15% waren. Das Balken­ diagramm in Fig. 6 zeigt die Änderungsraten der Ausgangssi­ gnale der jeweiligen Probeexemplare bei dem Erhöhen der Temperatur des Gases, dem die Probeexemplare ausgesetzt waren, von der Raumtemperatur auf 500°C. Bei der Untersu­ chung gemäß Fig. 7 wurden die Leckstromanteile derart ge­ steuert, daß die Verhältnisse Ip′/Ip der Probeexemplare jeweils gleich 0,1%, 1%, 5%, 10% bzw. 15% waren. Diese Probeexemplare wurden fortdauernd für das Ermitteln des Luft/Brennstoff-Verhältnisses eines Luft/Brennstoff-Gemi­ sches durch Messung an den Abgasen geprüft, die von einem Dieselmotor während des Leerlaufs desselben als Resultate der Verbrennung des Gemisches ausgestoßen wurden. Das Kenn­ liniendiagramm in Fig. 7 zeigt den Anteil von zeitlichen Änderungen der Ausgangssignale der jeweiligen Probeexempla­ re.

Aus den Ergebnissen der vorstehend beschriebenen Untersu­ chungen ist es klar ersichtlich, daß es besonders vorteil­ haft ist, den Anteil des Leckstroms derart zu steuern, daß das Verhältnis Ip′/Ip des Leckstroms innerhalb von 0,1 bis 5% des gesamten Pumpstroms gehalten wird.

Anhand der schematischen Darstellung in Fig. 8 wird nun ein Sauerstoffsensor als weiteres Ausführungsbeispiel der erfin­ dungsgemäßen Meßeinrichtung beschrieben. In der folgenden Beschreibung sind die gleichen Bezugszeichen wie bei dem vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispiel für die Be­ zeichnung von einander baulich oder funktionell entsprechen­ den Elementen verwendet, deren Beschreibung nicht wiederholt ist.

In dem Sensorelement 10 dieses Sauerstoffsensors ist die Meßelektrode 28 der Meßzelle 14 mit keiner der Elektroden 18 und 20 der Pumpzelle 12, sondern über einen Außenanschluß direkt mit der externen elektrischen Schaltung verbunden. In dieser externen Schaltung für das Steuern der elektrischen Funktion des Sensorelements 10 ist die Meßelektrode 28 über den Widerstand 56 an einem Punkt auf dem Leitungweg zwi­ schen dem Verstärker 76 und dem mit der Meßelektrode 28 verbundenen Außenanschluß geerdet, nämlich mit dem Bezugs­ leiter verbunden. Wie bei dem vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispiel ist das Potential des Bezugsleiters, an den die Meßelektrode 28 über den Widerstand 56 angeschlossen ist, gleich dem Bezugspotential, das an die innere Elektrode der Pumpzelle 12 angelegt ist, um den Pumpstromfluß zwischen der äußeren und der inneren Pumpelektrode 18 und 20 zu ermöglichen. Das heißt, die innere Pumpelektrode 20 ist direkt an dem Masseleiter, nämlich dem Bezugsleiter geerdet.

Bei der dermaßen gestalteten externen Schaltung ist der Widerstand 56 außerhalb des Meßelements 10 des Sensors bzw. von diesem gesondert angebracht. Bei dem Sauerstoffsensor gemäß diesem abgewandelten Ausführungsbeispiel kann der von der Pumpzelle 12 zur Meßelektrode 28 abfließende Stromanteil gleichfalls auf geeignete Weise dadurch begrenzt oder fest­ gelegt werden, daß der Widerstandswert des Widerstands 56 zweckdienlich festgelegt wird. Auf diese Weise können bei dem Sauerstoffsensor gemäß diesem zweiten Ausführungsbei­ spiel die gleichen Wirkungen wie bei dem Sauerstoffsensor gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel erreicht werden.

Die erfindungsgemäße Meßeinrichtung wurde zwar anhand ihrer vorzugsweise gewählten Ausführungsbeispiele mit einer gewis­ sen Genauigkeit beschrieben, jedoch ist es ersichtlich, daß die Erfindung nicht auf die genauen Einzelheiten der darge­ stellten Ausführungsbeispiele beschränkt ist. Beispielsweise können die Pumpzelle 12, die Meßzelle 14 und die Diffusions­ widerstandsvorrichtung des Meßelements 10 andere Strukturen oder Formen wie die bei den dargestellten Ausführungsbei­ spielen verwendeten haben. Im einzelnen kann die Gaseinlaß­ öffnung 38 die Form einer Drosselöffnung haben, so daß die Öffnung 38 nicht nur als Vorrichtung zum Einleiten des Meßgases in den dünnen flachen Raum 38, sondern auch als Diffusionswiderstandsvorrichtung mit einem bestimmten Diffu­ sionswiderstand für das Meßgas wirkt.

Während bei den Ausführungsbeispielen die innere Pumpelek­ trode 20 der Pumpzelle 12 geerdet ist, so daß die Elektrode 20 das Bezugspotential hat, kann statt dessen die äußere Pumpelektrode 18 geerdet sein, so daß diese auf Bezugspoten­ tial liegt.

Ferner kann der zwischen die Meßelektrode 28 und den Bezugs­ leiter geschaltete Widerstand 56 aus irgendeinem bekannten Material hergestellt sein. Wenn der Widerstand 56 wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel einstückig mit dem Meßelement 10 geformt wird, kann der Widerstand 56 ein Dickfilm-Wider­ stand sein, der durch Brennen einer Dickfilmpaste erhalten wird, die auf einen gesinderten Körper oder eine ungebrannte Schicht des Meßelements 10 durch Drucken oder Aufschichten aufgebracht ist. Die Dickfilmpaste kann durch Mischen eines Rutheniumoxid-Pulvers und eines Glaspulvers mit einem orga­ nischen Bindemittel oder durch Mischen eines wärmebeständi­ gen Metallpulvers wie eines Platin- oder Platin-Rhodium- Pulvers und eines Keramikpulvers wie eines Aluminiumoxid- oder Zirkondioxid-Pulvers mit einem organischen Bindemittel hergestellt werden. Wenn der Widerstand 56 wie bei dem zweiten Ausführungsbeispiel in der externen Schaltung an­ geordnet wird, kann der Widerstand 56 ein Kohlefilmwider­ stand oder ein Metallfilmwiderstand sein, der in breitem Ausmaß in gewöhnlichen elektrischen Schaltungen eingesetzt wird.

Der bei dem zweiten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 8 in der externen Schaltung angeordnete Widerstand 56 ist zwar ein Festwiderstand, jedoch kann dieser durch einen veränderbaren Widerstand, dessen Widerstandswert während des Einsatzes der Meßeinrichtung einstellbar ist, oder durch einen halbfesten oder stufenweise verstellbaren Widerstand ersetzt werden.

Wenn der Widerstand 56 mit dem Meßelement 10 integriert wird, kann der Widerstand 56 als ein Film geformt werden, der in die integrierte Schichtenstruktur des Meßelements 10 eingebettet ist.

Der vorangehend beschriebene Widerstand 56 kann auch auf andere Weise gestaltet sein, sofern der Widerstand das Entstehen einer geeigneten Potentialdifferenz zwischen der Meßelektrode und der äußeren oder inneren Pumpelektrode 18 oder 20 bewirkt, zwischen denen der Leckstrom fließt, wobei diese Potentialdifferenz um einen bestimmten Wert kleiner als die Potentialdifferenz zwischen der äußeren und der inneren Pumpelektrode 18 und 20 sein soll, denen der Pump­ strom zugeführt wird. Das heißt, der Widerstand muß nicht offen­ sichtlich als ein Widerstandselement erkennbar sein, das in dem Leitungsweg zwischen der Meßelektrode 38 und dem Bezugs­ leiter mit dem Bezugspotential angeordnet ist. Beispielswei­ se kann der Sauerstoffsensor gemäß dem zweiten Ausführungs­ beispiel anstelle der in Fig. 8 mit einem Pfeil a angezeig­ ten Schaltungsanordnung einen in Fig. 9 gezeigten invertie­ renden Verstärker 96 mit Widerständen 92 und 94 erhalten. Alternativ kann der Widerstand 56 durch den Eingangswider­ stand eines Verstärkers oder durch eine Widerstandskomponen­ te einer Induktivität oder eines Kondensators ersetzt wer­ den.

Es wird ein Luft/Brennstoff-Verhältnis-Sensor mit einem Meßelement beschrieben, das eine elektrochemische Sauer­ stoff-Pumpzelle mit einem für Sauerstoffionen leitfähigen ersten Trockenelektrolytkörper und mit einer ersten und einer zweiten Elektrode, die an dem ersten Trockenelektro­ lytkörper ausgebildet sind, und eine elektrochemische Sauer­ stoff-Meßzelle mit einem für Sauerstoffionen leitfähigen zweiten Trockenelektrolytkörper und mit einer dritten und einer vierten Elektrode aufweist, die an dem zweiten Trockenelektrolytkörper ausgebildet sind, wobei die zweite und die dritte Elektrode Abgasen ausgesetzt sind, die durch die Verbrennung eines Luft/Brennstoff-Gemisches entstehen und die gegen einen vorbestimmten Diffusionswiderstand in das Meßelement eingeleitet werden. Die erste oder die zweite Elektrode ist mit einem Bezugsleiter mit Bezugspotential für das Hindurchleiten eines Pumpstroms durch die Pumpzelle verbunden, während die dritte Elektrode mit dem Bezugsleiter über einen elektrischen Widerstand verbunden ist, dessen Widerstandswert die Stromstärke eines Leckstroms bestimmt, der von der Pumpzelle zu der Meßzelle fließt.

Claims (12)

1. Luft/Brennstoff-Verhältnis-Meßeinrichtung zum Ermitteln des Luft/Brennstoff-Verhältnisses eines Luft/Brennstoff- Gemisches, mit einem Meßelement, das eine elektrochemische Sauerstoff-Pumpzelle mit einem für Sauerstoffionen leitfähi­ gen ersten Trockenelektrolytkörper und mit einer ersten und einer zweiten Elektrode, die an dem ersten Trockenelektro­ lytkörper ausgebildet sind, eine elektrochemische Sauer­ stoff-Meßzelle mit einem für Sauerstoffionen leitfähigen zweiten Trockenelektrolytkörper und mit einer dritten und einer vierten Elektrode, die an dem zweiten Trockenelektro­ lytkörper ausgebildet sind, und eine Diffusionswiderstands­ vorrichtung enthält, gegen deren vorbestimmten Diffusionswi­ derstand Abgase, die durch das Verbrennen des Gemisches entstehen, für die Berührung mit der zweiten Elektrode der Pumpzelle und der dritten Elektrode der Meßzelle eingeleitet werden, dadurch gekennzeichnet, daß die erste oder die zweite Elektrode (18, 20) der Pump­ zelle (12) mit einem Bezugsleiter mit einem Bezugspotential für das Hindurchleiten eines Pumpstroms durch die Pumpzelle verbunden ist, während die dritte Elektrode (28) der Meßzel­ le(14) mit dem Bezugsleiter über einen elektrischen Wider­ stand (56; 92, 94) verbunden ist, durch dessen Widerstands­ wert die Stromstärke eines Leckstroms bestimmt ist, der von der Pumpzelle zu der Meßzelle abfließt.

2. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Widerstand (56) an dem Meßelement (10) angebracht ist.

3. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Widerstand (56; 92, 94) in einer elek­ trischen Schaltung angebracht ist, die außerhalb des Meßele­ ments (10) angeordnet und mit diesem elektrisch verbunden ist.

4. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstandswert des elektrischen Widerstands (56; 92, 94) derart festgelegt ist, daß das Verhältnis (Ip′/Ip) der Stromstärke des Leckstroms (Ip′) zur Stromstärke des gesamten der Pumpzelle (12) zugeführten Pumpstroms (Ip) in einem Bereich von 0,1 bis 5% liegt.

5. Meßeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstandswert derart festgelegt ist, daß das Verhältnis (Ip′/Ip) in einem Bereich von 0,5 bis 3% liegt.

6. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Elektrode (20) der Pumpzelle (12) mit dem Bezugsleiter verbunden ist.

7. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Elektrode (28) der Meßzelle (14) über den elektrischen Widerstand (56; 92, 94) mit Masse als Bezugsleiter verbunden ist.

8. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die erste oder die zweite Elektrode (18, 20) der Pumpzelle (12) über den elektrischen Widerstand (56) mit der dritten Elektrode (28) der Meßzelle (14) verbunden ist.

9. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erwärmen der Pumpzelle (12) und der Meßzelle (14) ein Heizkörper (54) mit einem Heizelement (50) vorgesehen ist, wobei der elektrische Widerstand (56) mit dem Bezugsleiter über einen Anschluß (60) verbunden ist, der mit einer Heizstromquelle (74) für das Speisen des Heizele­ ments verbunden ist.

10. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte und die vierte Elektrode (28, 30) der Meßzelle (14) an einen Differenzverstärker (80) angeschlossen sind, der ein Ausgangssignal abgibt, das einer zwischen der dritten und der vierten Elektrode induzierten EMK entspricht, wobei der elektrische Widerstand (56; 92, 94) an einen Leitungweg zwischen der dritten Elektrode und dem Differenzverstärker angeschlossen ist.

11. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, da­ durch gekennzeichnet, daß zwischen den ersten und den zwei­ ten Trockenelektrolytkörper (16, 26) der Pumpzelle (12) bzw. der Meßzelle (14) eine Verbindungs-Trockenelektrolytschicht (34) eingefügt ist, welche mit dem ersten und dem zweiten Trockenelektrolytkörper zusammenwirkt, um einen Gasdiffu­ sionsraum (36) als Diffusionswiderstandsvorrichtung zu bil­ den.

12. Meßeinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasdiffusionsraum (36) ein dünner flacher Raum ist und daß die zweite und die dritte Elektrode (20, 28) der Pumpzelle (12) bzw. der Meßzelle (14) in der Dickenrichtung des dünnen flachen Raums einander gegenübergesetzt sind, so daß sie teilweise den dünnen flachen Raum begrenzen.