DE69736091T2

DE69736091T2 - Gassensor und Gaskonzentrationsüberwachungsvorrichtung

Info

Publication number: DE69736091T2
Application number: DE69736091T
Authority: DE
Inventors: Nobuhide Ama-gun Aichi-pref. Kato; Noriyuki Okazaki-city Ina
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1996-06-28
Filing date: 1997-06-27
Publication date: 2007-01-11
Anticipated expiration: 2017-06-28
Also published as: JPH1019841A; EP0816835B1; JP3692183B2; US6093294A; EP0816835A3; DE69736091D1; EP0816835A2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gassensor und einen Gaskonzentrationsregler, die verwendet werden, um Oxide wie NO, NO₂, SO₂, CO₂ und H₂O, die beispielsweise in atmosphärischer Luft und Abgas enthalten sind, das von Fahrzeugen oder Autos abgegeben wird, sowie entflammbare Gase wie CO und CnHm zu messen.
Beschreibung des Standes der Technik
Seit einigen Jahren enthält Abgas, das aus Fahrzeugen oder Autos wie benzinbetriebenen Kraftfahrzeugen und dieselbetriebenen Kraftfahrzeugen abgegeben wird, Stickstoffoxide (NOx), wie Stickstoffmonoxid (NO) und Stickstoffdioxid (NO₂), sowie Kohlenmonoxid (CO), Kohlendioxid (CO₂), Wasser (H₂O), Kohlenwasserstoff (HC), Wasserstoff (H₂), Sauerstoff (O₂) usw. In einem solchen Abgas macht NO etwa 80 des gesamten NOx aus, und etwa 95% des gesamten NOx bestehen in NO und NO₂.
Der Dreiweg-Katalysator, der verwendet wird, um das Abgas vom darin enthaltenen HC, CO und NOx zu reinigen, weist seine maximale Reinigungseffizienz in der Nähe des theoretischen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses (A/F = 14,6) auf. Wenn A/F so geregelt wird, dass sein Wert nicht unter 16 liegt, verringert sich die Menge des erzeugten NOx. Jedoch wird die Reinigungseffizienz des Katalysators verringert, und folglich besteht die Gefahr, dass die Menge an abgegebenem NOx zunimmt.
Um fossile Brennstoffe effizient zu nutzen und eine Erwärmung der Erdatmosphäre zu vermeiden, verlangt der Markt in letzter Zeit beispielsweise in zunehmendem Maße eine Eindämmung der CO₂-Ausstoßmenge. Um diese Forderung zu erfüllen wird es immer notwendiger, die Treibstaffeffizienz zu verbessern. Als Reaktion auf diese Forderung werden beispielsweise der Magermotor und der Katalysator zur NOx-Reinigung erforscht. Insbesondere wird ein NOx-Sensor immer notwendiger.
Als Instrument zum Detektieren von NOx war bisher eine herkömmliche NOx-Messzelle bekannt. Der Betrieb der herkömmlichen NOx-Messzelle basiert auf dem Einsatz chemischer Lumineszenzanalyse zur Messung einer Charakteristik von NOx. Die herkömmliche NOx-Messzelle ist jedoch aufgrund der Tatsache, dass das Instrument selbst extrem groß und teuer ist, unzweckmäßig.
Die herkömmliche NOx-Messzelle erfordert häufige Wartung, weil zur Detektion von NOx optische Teile verwendet werden. Des Weiteren sollte bei der Verwendung der herkömmlichen NOx-Messzelle zur NOx-Messung eine Probenahme durchgeführt werden, was bedeutet, dass es unmöglich ist, ein Detektionselement selbst direkt in ein Fluid einzuführen. Daher eignet sich die herkömmliche NOx-Messzelle nicht zur Analyse vorübergehender Phänomene wie jener, die in einem von einem Kraftfahrzeug abgegebenen Abgas auftreten, worin die Bedingungen häufig variieren.
Um die oben beschriebenen Nachteile zu beseitigen ist ein Sensor zum Messen einer gewünschten Gaskomponente in einem Abgas vorgeschlagen worden, bei dem ein aus einem Sauerstoffion-leitenden Festelektrolyten bestehendes Substrat verwendet wird.
Ein Beispiel für den vorgeschlagenen herkömmlichen Gassensor ist ein Sauerstoffsensor vom Grenzstrom-Typ, der auf der Verwendung einer Sauerstoffpumpe basiert, wie in 17 gezeigt. Der Sauerstoffsensor umfasst drei aufeinander liegende Festelektrolytschichten 100b bis 100c. Die zweite Festelektrolytschicht 100a wird als Abstandshalterschicht verwendet, so dass ein Raum 102 zum Einbringen eines Referenzgases vorhanden ist, der aus Seitenflächen der Abstandshalterschicht 100b, einer Deckfläche der untersten Festelektrolytschicht 100a und einer Unterfläche der obersten Festelektroiytschicht 100c gebildet wird. Beispielsweise wird die atmosphärische Luft in den Raum 102 zum Einbringen des Referenzgases eingeleitet, der mit einer inneren Pumpelektrode 104a versehen ist, die an seiner Innenwandfläche ausgebildet ist. Eine äußere Pumpelektrode 104b ist auf einer Deckfläche der obersten Festelektrolytschicht 100c ausgebildet. Eine Diffusionsraten-Bestimmungsschicht 106 ist so ausgebildet, dass die Elektrode 104b damit bedeckt ist. Eine Sauerstoff pumpe 108 ist aus der äußerem Pumpelektrode 104, der inneren Pumpelektrode 104a und der dazwischen liegenden Festelektrolytschicht 100c gebildet.
Beim Betrieb des Sauerstoffsensors wird zwischen der inneren Pumpelektrode 104a und der äußeren Pumpelektrode 104b eine konstante Pumpspannung Vp angelegt. Ein zwischen den beiden Elektroden 104a, 104b fließender Strom wird unter Einsatz eines Strommessers 110 gemessen. So wird die Sauerstoffkonzentration im Abgas gemessen.
Beim Betrieb des oben beschriebenen Sensors wird die konstante Pumpspannung Vp angelegt. Daher wird, wie beispielsweise in 18 gezeigt, wenn die Sauerstoffkonzentration zunimmt, der der elektromotorischen Kraft entsprechende Wert um die der Impedanz der Sauerstoffpumpe 108 entsprechende Menge verringert. Als Ergebnis wird die eigentlich zu kontrollierende Sauerstoffkonzentration erhöht. In einer solchen Situation ist es unmöglich, die Sauerstoffkonzentration präzise zu messen (in 18 ist die Sauerstoffkonzentration bei Punkt B höher als bei Punkt A).
Andererseits offenbart die japanische Gebrauchsmuster-Veröffentlichung Nr. 7-45004 ein System, bei dem eine einem Pumpstrom entsprechende Spannung unter Verwendung eines Operationsverstärkers erzeugt wird. Die Spannung wird über einen Rückkopplungswiderstand zum Operationsverstärker zurückgeleitet und wird einem Widerstand zugeführt, der mit einer Spannungsquelle in Serie geschaltet ist. Wenn der Pumpstrom erhöht wird, wird die vom Widerstand erzeugte Spannung darüber gelegt und an die Pumpe angelegt.
Dieses System umfasst eine Schaltung, wie in 19 gezeigt. Das Ausgangssignal des Operationsverstärkers OP wird über den Rückkopplungswiderstand R1 zu einer Eingangsklemme auf einer Seite einer Luftelektrode (innere Pumpelektrode 104a) zurückgeführt, so dass an einem Ausgangspunkt A die dem Pumpstrom entsprechende Spannung erzeugt wird. Andererseits wird das Ausgangssignal über den Widerstand R2 zu einer Eingangsklemme auf einer Seite einer äußeren Pumpelektrode 104b zurückgeführt, und der Strom kann über den Widerstand r fließen, so dass eine Spannungsquellenspannung V_ε mit einer im Widerstand r erzeugten Spannungshöhe überlagert wird.
Wenn der mit der Spannungsquelle in Serie geschaltete Widerstand entsprechend dimensioniert ist, wird die Pumpspannung Vp mit einer Spannung überlagert, die (tatsächliche Pumpenimpedanz x Pumpstrom) entspricht, so dass sich der Arbeitspunkt an einem von bestimmten flachen Abschnitten auf Grenzstrom-Kennlinien befindet, wie in 20 gezeigt. So wird die Sauerstoffkonzentration mit einem hohen Ausmaß an Genauigkeit gemessen.
Jedoch wird im Fall des herkömmlichen Gassensors, wenn die Sauerstoffkonzentration in einem Messgas erhöht wird, der dem Spannungsabfall entsprechende Wert erhöht und wird weit höher als der der elektromotorischen Kraft entsprechende Wert. Daher ist es schwierig, den Gassensor bei einem Arbeitspunkt zu betreiben, der genau einer bestimmten elektromotorischen Kraft entspricht.
Wenn sich die Temperatur des Abgases stark verändert, wie das bei einem Kraftfahrzeug der Fall ist, ist der Gassensor in manchen Fällen mit einer Heizeinrichtung versehen, für die ein Mechanismus vorgesehen ist, um die elektrische Leistung zu regeln, die der Heizeinrichtung zuzuführen ist. Auch wenn ein derartiges System zum Einsatz kommt, wird die Impedanz der Sauerstoffpumpe 108 leicht verändert. Wenn der Pumpstrom erhöht wird, tritt beim Korrigieren für das dem Spannungsabfall entsprechende Ausmaß ein großer Fehler auf. Folglich ist es schwierig, die hohe Sauerstoffkonzentration korrekt zu messen.
Dieses Problem ist insbesondere dann sehr schwerwiegend, wenn die Sauerstoffpumpe 108 als Sauerstoffkonzentrationsregler verwendet wird. Wenn die Sauerstoffpumpe 108 als Sauerstoffpumpe verwendet wird, beträgt, auch wenn die Sauerstoffkonzentration im Messgas erhöht wird, der Pumpstrom erhöht wird und die Sauerstoffkonzentration im Messraum von 10^–10 atm auf 10^–3 atm erhöht wird, die Veränderung des Stroms auf Basis der Veränderung der Sauerstoffkonzentration verglichen mit dem erhöhten Pumpstrom höchstens in etwa mehrere Prozent. Wenn die Sauer stoffpumpe 108 jedoch als Sauerstoffkonzentrationsregler verwendet wird, macht die Veränderung der Sauerstoffkonzentration hingegen genau die große Veränderung von 10^–10 atm auf 10^–3 atm aus, die tatsächlich vorliegt.
In der Praxis ergibt sich insofern ein Problem, als es unmöglich ist, die Pumpspannung mit einer Spannung zu überlagern, die (Pumpenimpedanz x Pumpstrom) entspricht, und somit die Genauigkeit weiter verringert wird. 21 zeigt eine derartige Situation in einem Vergleichstest analysiert. Bei diesem Vergleichstest wird die Temperatur des Gassensors so eingestellt, dass die Impedanz der Sauerstoffpumpe 108 in jedem Fall 100 Ω beträgt.
Beim herkömmlichen Verfahren (japanische Gebrauchsmusterveröffentlichung Nr. 7-45004) beträgt die Korrekturspannung ideal (100 Ω x Pumpstrom), da die Impedanz der Sauerstoffpumpe 108 100 Ω ausmacht. Tatsächlich jedoch ist die Korrektur nur für (50 Ω x Pumpstrom) erfolgreich, was die Hälfte von (100 Ω x Pumpstrom) ist.
Die Ursache für diese erfolglose Korrektur sind Schwingungen. In einem Bereich von nicht weniger als (50 Ω x Pumpstrom) unterliegt das Regelungssystem einem Oszillationsphänomen, was die Durchführung von Regelung unmöglich macht.
In der japanischen Gebrauchsmusterveröffentlichung Nr. 7-45004 wird, um die Impedanz der Sauerstoffpumpe zu messen, der Spannungsquelle ein Wert überlagert, der einem Wechselstrom (500 bis 100 kHz) entspricht, so dass die Impedanz der Sauerstoffpumpe unter Verwendung der Wechselspannung gemessen wird. Es besteht jedoch die Tendenz zum Auftreten von Oszillation, da die dem Wechselstrom entsprechende Menge positiver Rückkopplung unterliegt. Aus diesem Grund wird das Ausgangssignal des Operationsverstärkers OP mit Hilfe eines Tiefpassfilters positiver Rückkopplung unterworfen, so dass die dem Wechselstrom entsprechende Menge eliminiert wird. So wird nur eine einem Gleichstrom (zur Korrektur des Spannungsabfalls) entsprechende Menge positiver Rückkopplung unterzogen, und die Pumpspannung Vp wird mit einer Menge des Spannungsabfalls überlagert. Bei einem Versuch weist der Wechselstrom eine Frequenz von 10 kHz auf, und das Tiefpassfilter hat ei ne Grenzfrequenz von 1 kHz. Bei diesem System wird die Heizeinrichtung nicht auf Basis eines Signals in dem Ausmaß geregelt, das dem Wechselstrom entspricht.
Gemäß diesem Versuch tritt das durch die Gleichstrom-Komponente verursachte Oszillationsphänomen bei einer extrem niedrigen Frequenz von nicht mehr als 50 Hz auf. Daher bleibt beim Tiefpassfilter mit einer Grenze für jene mit einer Frequenz von nicht weniger als einigen hundert Hz weiterhin das Problem des möglichen Auftretens von Oszillation aufgrund der dem Gleichstrom entsprechenden Menge bestehen.
Des Weiteren erfordert dieses System einen Schaltkreis, der das Tiefpassfilter oder das Tiefpassfilter + CR-Filter umfasst. Es ist verlangt worden, ein einfaches System mit ausreichender Wirkung zu realisieren.
Andererseits ist ein Sauerstoffsensor für den gesamten Bereich allgemein bekannt, der auf der Verwendung einer genauen Sauerstoffpumpe basiert, wie in 22 gezeigt. Dieser Sauerstoffsensor ist mit einem Innenraum 124 für eine Pumpzelle 120 und einer Sensorzelle 122 ausgebildet, und der Innenraum 124 kommuniziert über einen Diffusionsraten-Bestimmungsabschnitt 126 mit einer Messgas-Atmosphäre.
Des Weiteren ist ein Sensor zum Messen von NOx bekannt, mit dem ein Gas (zum Beispiel NOx), das gebundenen Sauerstoff enthält, gemessen wird, indem die Sauerstoffkonzentration im Gas unter Einsatz einer Sauerstoffpumpe auf ein konstantes niedriges Niveau gesenkt wird und dann die Sauerstoffkonzentration weiter gesenkt wird, um NOx zu zersetzen, so dass während der Zersetzung erzeugter Sauerstoff unter Einsatz einer Sauerstoffpumpe gemessen wird.
Ein derartiger Sensor ist mit einem Sauerstoffkonzentrationsregler versehen, der auf der Verwendung der Sauerstoffpumpe basiert, so dass die Sauerstoffkonzentration unter Einsatz des Sauerstoffkonzentrationsreglers so geregelt wird, dass sie konstant und niedrig ist. Daher muss der Sauerstoffkonzentrationsregler eine Genauigkeit aufweisen, die genauso hoch wie oder höher als jene des Sauerstoffsensors ist.
Was den Sensor für den gesamten Bereich betrifft, ist in einem Bereich, in dem die Sauerstoffkonzentration niedrig ist, der Pumpstrom gering. Daher wird die Genauigkeit in einem solchen Bereich nicht so sehr durch den Wert gesenkt, der dem aus der Impedanz der Pumpe resultierenden Spannungsabfall entspricht. Andererseits wird die Genauigkeit in einem Bereich, in dem die Sauerstoffkonzentration hoch ist (beispielsweise mehrere Prozent) aufgrund des erhöhten Einflusses des Werts, der dem Spannungsabfall entspricht, verringert. Es tritt jedoch kein ernsthaftes Problem auf, auch wenn ein Fehler mehrere hundert ppm beträgt, da die zu messende Sauerstoffkonzentration mehrere Prozent (mehrere zehntausend ppm) ausmacht.
Im Gegensatz dazu bringt beispielsweise im Fall des NOx-Sensors, der zum Messen einer Konzentration von maximal mehreren tausend ppm verwendet wird, eine Veränderung der Sauerstoffkonzentration in einer Größenordnung von mehreren hundert ppm einen großen Fehlerfaktor mit sich. Daher ist es erforderlich, dass der Sauerstoffkonzentrationsregler, der für einen solchen Gassensor verwendet wird, einen hohen Grad an Regelgenauigkeit aufweist.
Wie in 22 gezeigt, wird im Fall des Sauerstoffsensors, bei dem die Sauerstoffkonzentration auf Basis einer zwischen einer Messelektrode 128 und einer Referenzelektrode 130 erzeugten elektromotorischen Kraft geregelt wird, die Pumpspannung (Gleichspannung) Vp einer Rückkopplungsregelung unterzogen, so dass eine konstante zwischen der Messelektrode 128 und der Referenzelektrode 130 erzeugte Klemmenspannung aufrecht erhalten wird. Der in 22 gezeigte Sauerstoffsensor weist ein hohes Ausmaß an Genauigkeit auf, hat aber den Nachteil, dass das Regelungssystem dem Oszillationsphänomen unterliegt.
Genauer gesagt wird die Rückkopplungsregelung wie folgt durchgeführt. Im Allgemeinen wird eine Referenzspannung als Ziel von einem Komparator mit der elektromotorischen Kraft verglichen, die zwischen der Messelektrode 128 und der Referenzelektrode 130 erzeugt wird. Eine vom Komparator erhaltene Differenz wird verstärkt, um auf Basis der Differenz vom Zielwert eine verstärkte Spannung zu erzeugen. Die verstärkte Spannung wird an die Sauerstoffpumpe 132 angelegt.
Dieses System weist jedoch insofern einen Nachteil auf, als, wenn die Verstärkung durch den Verstärker übermäßig hoch eingestellt ist, die Rückkopplungsregelung einer Oszillation unterliegt.
Dieses Phänomen wird durch das Vorliegen jeglicher geometrischen Abmessung der Messelektrode 128 und der Pumpelektrode 134 verursacht, die mit dem Innenraum 124 in Kontakt stehen. Wenn beispielsweise die Sauerstoffkonzentration um die Messelektrode 128 niedriger ist als der Zielwert, wird die Rückkopplungsregelung so durchgeführt, dass die Pumpspannung Vp erhöht wird. Dem gemäß wird die Pumpspannung Vp erhöht, der Sauerstoff im Innenraum 124 wird ausgepumpt, und die Sauerstoffkonzentration im Innenraum 124 verringert sich allmählich. Jedoch wird die Verringerung der Sauerstoffkonzentration aufgrund des Vorliegens der geometrischen Abmessung, wie oben beschrieben, mit Verzögerung auf einen für die Messung verwendeten Teil des Raums übertragen. Als Ergebnis sinkt die Sauerstoffkonzentration im Innenraum 124 unter den Zielwert. Die geringere Sauerstoffkonzentration wird von der Messelektrode 128 nach einer kurzen Verzögerung detektiert, und dann wird die Rückkopplungsregelung durchgeführt, so dass die Pumpspannung Vp verringert wird.
In diesem Fall wird auch der Sauerstoff-Partialdruck im Innenraum 124 allmählich angehoben. Jedoch tritt aufgrund der geometrischen Abmessung ein Phänomen auf, demzufolge die Sauerstoffkonzentration im Innenraum 124 übermäßig angestiegen ist, wenn die Messelektrode 128 die Zunahme detektiert. Als Ergebnis unterliegt der Rückkopplungsregelkreis einer Oszillation.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung ist unter Berücksichtung der oben genannten Probleme gemacht worden, und eines ihrer Ziele ist die Bereitstellung eines Gassensors und einer Gaskonzentrationsreglers, die es ermöglichen, wirksam das Oszillationsphänomen eines Rückkopplungsregelungssystems für eine Steuerspannung zu vermeiden, die beispielsweise an eine Sauerstoffpumpe angelegt wird, wenn die Sauer stoffpumpe verwendet wird, und den Fehler in dem Ausmaß aufzufangen, das dem aus der Impedanz der Sauerstoffpumpe resultierenden Spannungsabfall entspricht, so dass die Sauerstoffkonzentration präzise detektiert werden kann.
Gemäß einem ersten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung einen Gassensor bereit, wie in Anspruch 1 dargelegt.
Gemäß vorliegender Erfindung wird das Messgas zunächst in den ersten Raum eingebracht. Zu diesem Zeitpunkt wird die Messeinrichtung betätigt, um die Klemmenspannung zwischen der inneren Elektrode des Gaspumpmittels und der Referenzelektrode zu messen, die auf der Seite des zweiten Raums ausgebildet ist. Die gemessene Spannung wird dem ersten Steuerspannungs-Einstellungsmittel zugeführt. Das erste Steuerspannungs-Einstellungsmittel stellt auf Basis der gemessenen Spannung den Pegel der Steuerspannung ein, die dem Gaspumpmittel zuzuführen ist. Das Gaspumpmittel pumpt eine Menge der vorbestimmten Gaskomponente heraus, die im Messgas enthalten ist, das in den ersten Raum eingebracht wird, wobei die Menge dem Pegel der Steuerspannung entspricht. Das Anlegen der Steuerspannung mit eingestelltem Pegel an das Gaspumpmittel ermöglicht es, die Konzentration der vorbestimmten Gaskomponente im ersten Raum Rückkopplungsregelung zu unterziehen, so dass ein vorbestimmter Pegel erreicht wird.
Gemäß vorliegender Erfindung ist die gemessene Spannung, die vom Messmittel gemessen wird, um sie zum Einstellen des Pegels der Steuerspannung einzusetzen, die Klemmenspannung zwischen der inneren Elektrode des Gaspumpmittels und der Referenzelektrode, die im zweiten Raum angeordnet ist. Dem gemäß wird, wenn sich die Menge der vorbestimmten Gaskomponente, die vom Gaspumpmittel ausgepumpt wird, ändert und sich die Konzentration der Gaskomponente im ersten Raum ändert, die Klemmenspannung zwischen der inneren Elektrode des Gaspumpmittels und der Referenzelektrode ohne zeitliche Verzögerung verändert. Daher wird das Oszillationsphänomen in der Rückkopplungsregelung unterdrückt.
Der Strom fließt durch die Gaspumpe, wenn die vorbestimmte Gaskomponente vom Gaspumpmittel ausgepumpt wird. Daher erscheint das Ausmaß, das dem aus der Impedanz der Gaspumpe resultierenden Spannungsabfall entspricht, als Fehler bei der Pegel-Einstellung für die Steuerspannung. Jedoch wird gemäß vorliegender Erfindung der durch das Gaspumpmittel fließende Strom vom zweiten Steuerspannungs-Einstellungsmittel detektiert, und der Wert des detektierten Stroms spiegelt sich in der Pegel-Einstellung im ersten Steuerspannungs-Einstellungsmittel wider. Daher wird der Fehler wirksam aufgefangen, was eine präzise Durchführung der Rückkopplungsregelung für das Gaspumpmittel ermöglicht. So kann die Konzentration der vorbestimmten Gaskomponente, die im in den ersten Raum eingebrachten Messgas enthalten ist, mit einem hohen Ausmaß an Genauigkeit detektiert wird.
Wenn die Steuerspannung zum Beispiel stufenweise gemäß dem Einstellungsvorgang verändert wird, der vom ersten Steuerspannungs-Einstellungsmittel durchgeführt wird, fließt sofort eine große Strommenge durch das Gaspumpmittel. Als Ergebnis wird in manchen Fällen im zweiten Steuerspannungs-Einstellungsmittel ein spitzenförmiges Rauschen erzeugt. Wenn das zweite Steuerspannungs-Einstellungsmittel als Einstellungsschaltung vom positiven Rückkopplungstyp angeordnet ist, besteht die Gefahr, dass durch das spitzenförmige Rauschen Oszillation verursacht wird.
Die vorliegende Erfindung ist jedoch mit dem Spitzenunterdrückungsmittel versehen, um das im zweiten Steuerspannungs-Einstellungsmittel erzeugte Spitzensignal zu unterdrücken. Dem gemäß kann das spitzenförmige Rauschen wirksam unterdrückt werden, was es ermöglicht, die Oszillation im zweiten Steuerspannungs-Einstellungsmittel zu vermeiden. Das führt zu einer sehr präzisen Einstellung der Steuerspannung, die vom ersten Steuerspannungs-Einstellungsmittel durchgeführt wird. So ist es möglich, die Konzentration der vorbestimmten Gaskomponente, die im in den ersten Raum eingebrachten Messgas enthalten ist, sehr präzise zu messen.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die wie oben beschrieben konstruiert ist, ist das erste Steuerspannungs-Einstellungsmittel vorzugsweise mit einem Vergleichsmittel versehen, um eine Abweichung zwischen der Klemmenspannung und einer Vergleichsspannung zu bestimmen, und der Pegel der Steuerspannung wird auf Basis der vom Vergleichsmittel erhaltenen Abweichung eingestellt. Bei dieser Ausführungsform wird die Steuerspannung einer Rückkopplungsregelung unterzogen, so dass die Klemmenspannung zur Vergleichsspannung konvergiert.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die wie oben beschrieben konstruiert ist, ist das zweite Steuerspannungs-Einstellungsmittel vorzugsweise mit einem Widerstand, um den Strom, der durch das Gaspumpmittels fließt, zu detektieren und den Strom in eine Spannung umzuwandeln, wenn die Gaskomponente vom Gaspumpmittel ausgepumpt wird, sowie einem Verstärker versehen, um die Klemmenspannung des Widerstands mit einer vorbestimmten Verstärkung zu verstärken und die Vergleichsspannung mit einer erhaltenen Spannung zu überlagern. Dem gemäß fließt der Strom, der erzeugt wird, wenn die vorbestimmte Gaskomponente vom Gaspumpmittel ausgepumpt wird, durch den Widerstand. Als Ergebnis kommt es im Widerstand zu einem Spannungsabfall. Die Spannung in der dem Spannungsabfall entsprechenden Menge wird vom Verstärker mit der vorbestimmten Verstärkung verstärkt, und die Vergleichsspannung im ersten Steuerspannungs-Einstellungsmittel wird mit der erhaltenen Spannung überlagert. Somit spiegelt sich die Menge, die dem aus der Impedanz des Gaspumpmittels resultierenden Spannungsabfall entspricht, in der Einstellung für die Steuerspannung wider, die im ersten Steuerspannungs-Einstellungsmittel vorgenommen wird. So wird der Fehler, der auf der Impedanz des Gaspumpmittels basiert, wirksam aufgefangen, was es möglich macht, die Rückkopplungsregelung präzise durchzuführen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Spitzenunterdrückungsmittel vorzugsweise mit einem Kondensator versehen, der an beide Enden des Widerstands angeschlossen ist. Gemäß dieser Ausführungsform stellen der Widerstand und der Kondensator eine Zeitkonstante bereit, durch die eine Anordnung geschaffen wird, bei der eine Phasenkompensationsschaltung zum proportionalen integrierenden Betrieb in das Rückkopplungsregelungssystem eingefügt und eingeschaltet ist. So ist es möglich, das spitzenförmige Rauschen, das im zweiten Steuerspannungs-Einstellungsmittel erzeugt wird, wirksam zu unterdrücken.
Alternativ dazu ist das Spitzenunterdrückungsmittel vorzugsweise mit einem Kondensator versehen, der zwischen den Widerstand und den Verstärker geschaltet ist, oder das Spitzenunterdrückungsmittel ist mit einem Kondensator versehen, der zwischen den Verstärker und eine Erzeugungsquelle der Vergleichsspannung geschaltet ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wie oben beschrieben, ist vorzugsweise ein Gasdiffusionsraten-Bestimmungsabschnitt zum Bereitstellen eines vorbestimmten Diffusionswiderstands für das Messgas an einem Durchlass zum Einbringen des Messgases in den ersten Raum vorgesehen. Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst der Gassensor des Weiteren vorzugsweise einen dritten Raum zum Einbringen des Messgases aus dem ersten Raum in diesen; einen zweiten Gasdiffusionsraten-Bestimmungsabschnitt, der an einem Durchlass zum Einbringen des Messgases in den dritten Raum bereitgestellt ist, um für das Messgas einen vorbestimmten Diffusionswiderstand bereitzustellen; ein im dritten Raum angeordnetes Messgas-Zersetzungsmittel zum Zersetzen und Abbauen der vorbestimmten Gaskomponente im Messgas; und ein Gaskomponenten-Detektionsmittel zum Detektieren der durch das Messgas-Zersetzungsmittel zersetzten und abgebauten vorbestimmten Gaskomponente. Alternativ dazu umfasst der Gassensor vorzugsweise des Weiteren ein Gaskomponenten-Zufuhrmittel zum Zuführen der vorbestimmte Gaskomponente zum dritten Raum; sowie ein Gaskomponenten-Detektionsmittel zum Detektieren der vom Gaskomponenten-Zufuhrmittel zugeführten Gaskomponente. Bei dieser Ausführungsform kann die Menge der vorbestimmten Gaskomponente, die im Messgas enthalten ist, wirksam geregelt werden, was es ermöglicht, beispielsweise die Menge an Oxiden oder entflammbaren Gasen, die im Messgas enthalten sind, mit einem hohen Grad an Genauigkeit zu messen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Gaskonzentrationsregler bereitgestellt, wie in Anspruch 10 dargelegt.
Gemäß vorliegender Erfindung wird das Messgas zunächst über den Gasdiffusionsraten-Bestimmungsabschnitt in den ersten Raum eingebracht. Zu diesem Zeitpunkt wird die Messeinrichtung betätigt, um die Klemmenspannung zwischen der inneren Elektrode des Gaspumpmittels und der Referenzelektrode zu messen, die auf der Seite des zweiten Raums ausgebildet ist. Die gemessene Spannung wird dem ersten Steuerspannungs-Einstellungsmittel zugeführt. Das erste Steuerspannungs-Einstellungsmittel stellt auf Basis der gemessenen Spannung den Pegel der Steuerspannung ein, die dem Gaspumpmittel zuzuführen ist. Das Gaspumpmittel pumpt eine Menge der vorbestimmten Gaskomponente heraus, die im Messgas enthalten ist, das in den ersten Raum eingebracht wird, wobei die Menge dem Pegel der Steuerspannung entspricht. Das Anlegen der Steuerspannung mit eingestelltem Pegel an das Gaspumpmittel ermöglicht es, die Konzentration der vorbestimmten Gaskomponente im ersten Raum Rückkopplungsregelung zu unterziehen, so dass ein vorbestimmter Pegel erreicht wird.
Gemäß vorliegender Erfindung ist die gemessene Spannung, die vom Messmittel gemessen wird, um sie zum Einstellen des Pegels der Steuerspannung einzusetzen, die Klemmenspannung zwischen der inneren Elektrode des Gaspumpmittels und der Referenzelektrode, die im zweiten Raum angeordnet ist. Dem gemäß wird, wenn sich die Menge der vorbestimmten Gaskomponente, die vom Gaspumpmittel ausgepumpt wird, ändert und sich die Konzentration der Gaskomponente im ersten Raum ändert, die Klemmenspannung zwischen der inneren Elektrode des Gaspumpmittels und der Referenzelektrode ohne zeitliche Verzögerung verändert. Daher wird das Oszillationsphänomen in der Rückkopplungsregelung unterdrückt.
Der Strom fließt durch die Gaspumpe, wenn die vorbestimmte Gaskomponente vom Gaspumpmittel ausgepumpt wird. Daher erscheint das Ausmaß, das dem aus der Impedanz der Gaspumpe resultierenden Spannungsabfall entspricht, als Fehler bei der Pegel-Einstellung für die Steuerspannung. Jedoch wird gemäß vorliegender Erfindung der durch das Gaspumpmittel fließende Strom vom zweiten Steuerspannungs-Einstellungsmittel detektiert, und der Wert des detektierten Stroms spiegelt sich in der Pegel-Einstellung im ersten Steuerspannungs-Einstellungsmittel wider.
Daher wird der Fehler wirksam aufgefangen, was eine präzise Durchführung der Rückkopplungsregelung für das Gaspumpmittel ermöglicht. So kann die Konzentration der vorbestimmten Gaskomponente, die im in den ersten Raum eingebrachten (Messgas enthalten ist, mit einem hohen Ausmaß an Genauigkeit detektiert werden.
Wenn die Steuerspannung zum Beispiel stufenweise gemäß dem Einstellungsvorgang verändert wird, der vom ersten Steuerspannungs-Einstellungsmittel durchgeführt wird, fließt sofort eine große Strommenge durch das Gaspumpmittel. Als Ergebnis wird in manchen Fällen im zweiten Steuerspannungs-Einstellungsmittel ein spitzenförmiges Rauschen erzeugt. Wenn das zweite Steuerspannungs-Einstellungsmittel als Einstellungsschaltung vom positiven Rückkopplungstyp angeordnet ist, besteht die Gefahr, dass durch das spitzenförmige Rauschen Oszillation verursacht wird.
Die vorliegende Erfindung ist jedoch mit dem Spitzenunterdrückungsmittel versehen, um das im zweiten Steuerspannungs-Einstellungsmittel erzeugte Spitzensignal zu unterdrücken. Dem gemäß kann das spitzenförmige Rauschen wirksam unterdrückt werden, was es ermöglicht, die Oszillation im zweiten Steuerspannungs-Einstellungsmittel zu vermeiden. Das führt zu einer sehr präzisen Einstellung der Steuerspannung, die vom ersten Steuerspannungs-Einstellungsmittel durchgeführt wird. So ist es möglich, die Konzentration der vorbestimmten Gaskomponente, die im in den ersten Raum eingebrachten Messgas enthalten ist, sehr präzise zu messen.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die wie oben beschrieben konstruiert ist, ist das erste Steuerspannungs-Einstellungsmittel vorzugsweise mit einem Vergleichsmittel versehen, um eine Abweichung zwischen der Klemmenspannung und einer Vergleichsspannung zu bestimmen, und der Pegel der Steuerspannung wird auf Basis der vom Vergleichsmittel erhaltenen Abweichung eingestellt. Bei dieser Ausführungsform wird die Steuerspannung einer Rückkopplungsregelung unterzogen, so dass die Klemmenspannung zur Vergleichsspannung konvergiert.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die wie oben beschrieben konstruiert ist, ist das zweite Steuerspannungs-Einstellungsmittel vorzugsweise mit einem Widerstand, um den Strom, der durch das Gaspumpmittels fließt, zu detektieren und den Strom in eine Spannung umzuwandeln, wenn die Gaskomponente vom Gaspumpmittel ausgepumpt wird, sowie einem Verstärker versehen, um die Klemmenspannung des Widerstands mit einer vorbestimmten Verstärkung zu verstärken und die Vergleichsspannung mit einer erhaltenen Spannung zu überlagern. Dem gemäß fließt der Strom, der erzeugt wird, wenn die vorbestimmte Gaskomponente vom Gaspumpmittel ausgepumpt wird, durch den Widerstand. Als Ergebnis kommt es im Widerstand zu einem Spannungsabfall. Die Spannung in der dem Spannungsabfall entsprechenden Menge wird vom Verstärker mit der vorbestimmten Verstärkung verstärkt, und die Vergleichsspannung im ersten Steuerspannungs-Einstellungsmittel wird mit der erhaltenen Spannung überlagert. Somit spiegelt sich die Menge, die dem aus der Impedanz des Gaspumpmittels resultierenden Spannungsabfall entspricht, in der Einstellung für die Steuerspannung wider, die im ersten Steuerspannungs-Einstellungsmittel vorgenommen wird. So wird der Fehler, der auf die Impedanz des Gaspumpmittels zurückzuführen ist, wirksam aufgefangen, was es möglich macht, die Rückkopplungsregelung präzise durchzuführen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Spitzenunterdrückungsmittel vorzugsweise mit einem Kondensator versehen, der an beide Enden des Widerstands angeschlossen ist. Gemäß dieser Ausführungsform stellen der Widerstand und der Kondensator eine Zeitkonstante bereit, durch die eine Anordnung geschaffen wird, bei der eine Phasenkompensationsschaltung zum proportionalen integrierenden Betrieb in das Rückkopplungsregelungssystem eingefügt und geschaltet ist. So ist es möglich, das spitzenförmige Rauschen, das im zweiten Steuerspannungs-Einstellungsmittel erzeugt wird, wirksam zu unterdrücken.
Alternativ dazu ist das Spitzenunterdrückungsmittel vorzugsweise mit einem Kondensator versehen, der zwischen den Widerstand und den Verstärker geschaltet ist, oder das Spitzenunterdrückungsmittel ist mit einem Kondensator versehen, der zwi schen den Verstärker und eine Erzeugungsquelle der Vergleichsspannung geschaltet ist.
Die obigen und andere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen klar werden, in denen eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung anhand eines veranschaulichenden Beispiels gezeigt wird.
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt eine schematische Anordnung eines Gassensors (in der Folge einfach als „zu Vergleichszwecken konstruierter Gassensor" bezeichnet), der vor der Konzeption eines Gassensors gemäß vorliegender Erfindung erzeugt wurde.
2 zeigt eine beschriebene Anordnung des zu Vergleichszwecken konstruierten Gassensors.
3 zeigt eine Grenzstrom-Kennlinie des zu Vergleichszwecken konstruierten Gassensors.
4 zeigt ein Ersatzschaltbild, das eine Impedanz einer Sauerstoffpumpe veranschaulicht.
5A zeigt eine Wellenform, die erhalten wird, wenn die Pumpspannung stufenweise geändert wird.
5B zeigt eine Wellenform, die die Veränderung des Pumpstroms veranschaulicht, die erhalten wird, wenn die Pumpspannung stufenweise geändert wird.
5C zeigt eine Wellenform, die eine Situation veranschaulicht, in der in der Korrekturspannung ein spitzenförmiges Rauschen erzeugt wird, wenn die Pumpspannung stufenweise geändert wird.
6 zeigt eine schematische Anordnung einer ersten veranschaulichenden Ausführungsform, bei der der Gassensor gemäß vorliegender Erfindung auf einen Gassensor zum Messen von Oxiden, wie NO, NO₂, SO₂, CO₂ und H₂O, die beispielsweise in atmosphärischer Luft und in aus Fahrzeugen oder Autos abgegebenem Abgas enthalten sind, sowie von entflammbaren Gasen wie CO und CnHm angewandt wird (in der Folge einfach als „Gassensor gemäß der ersten Ausführungsform" bezeichnet).
7 zeigt eine Grenzstrom-Kennlinie des zu Vergleichszwecken konstruierten Gassensors.
8 zeigt eine Grenzstrom-Kennlinie des Gassensors gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
9 zeigt eine Grenzstrom-Kennlinie des herkömmlichen Gassensors, die einen Korrekturzustand nach einem Testauto-Lauf über 30.000 km veranschaulicht, bei dem ein Testauto mit einem 4-Zylinder-Reihenmotor mit 2,0 l verwendet wird.
10 zeigt eine Grenzstrom-Kennlinie des zu Vergleichszwecken konstruierten Gassensors, die einen Korrekturzustand nach einem Testauto-Lauf über 30.000 km veranschaulicht, bei dem ein Testauto mit einem 4-Zylinder-Reihenmotor mit 2,0 l verwendet wird.
11 zeigt eine Grenzstrom-Kennlinie des Gassensors gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die einen Korrekturzustand nach einem Testauto-Lauf über 30.000 km veranschaulicht, bei dem ein Testauto mit einem 4-Zylinder-Reihenmotor mit 2,0 l verwendet wird.
12 zeigt eine Anordnung einer ersten modifizierten Ausführungsform, die den Gassensor gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung betrifft.
13 zeigt eine Anordnung einer zweiten modifizierten Ausführungsform, die den Gassensor gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung betrifft.
14 zeigt eine Anordnung einer dritten modifizierten Ausführungsform, die den Gassensor gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung betrifft.
15 zeigt eine schematische Anordnung einer zweiten veranschaulichenden Ausführungsform, bei der der Gassensor gemäß vorliegender Erfindung auf einen Gassensor zum Messen von Oxiden, wie NO, NO₂, SO₂, CO₂ und H₂O, die beispielsweise in atmosphärischer Luft und in aus Fahrzeugen oder Autos abgegebenem Abgas enthalten sind, sowie von entflammbaren Gasen wie CO und CnHm angewandt wird (in der Folge einfach als „Gassensor gemäß der zweiten Ausführungsform" bezeichnet).
16 zeigt eine beschriebene Anordnung des Gassensors gemäß der zweiten Ausführungsform.
17 zeigt eine Anordnung, die einen Grenzstrom-Sauerstoffsensor veranschaulicht, der auf der Verwendung der herkömmlichen Sauerstoffpumpe basiert.
18 zeigt eine Grenzstrom-Kennlinie des Grenzstrom-Sauerstoffsensors, der auf der Verwendung der herkömmlichen Sauerstoffpumpe basiert.
19 zeigt eine Anordnung eines weiteren herkömmlichen Gassensors.
20 zeigt eine Grenzstrom-Kennlinie des weiteren herkömmlichen Gassensors.
21 zeigt eine Grenzstrom-Kennlinie, die erhalten wird, wenn die Sauerstoffpumpe als Sauerstoffkonzentrationsregler verwendet wird.
22 zeigt eine Anordnung eines herkömmlichen Gesamtbereich-Sauerstoffsensors, der auf der Verwendung der Sauerstoffpumpe basiert.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Nachstehend werden unter Bezugnahme auf die 1 bis 16 zwei veranschaulichende Ausführungsformen erklärt, bei denen der Gassensor gemäß vorliegender Erfindung auf einen Gassensor zum Messen von Oxiden wie NO, NO₂, SO₂, CO₂ und H₂O, die beispielsweise in atmosphärischer Luft und in aus Fahrzeugen und Autos abgegebenem Abgas enthalten sind, sowie von entflammbaren Gasen wie CO und CnHm angewandt wird (in der Folge einfach als „Gassensor gemäß der ersten Ausführungsform" bzw. „Gassensor gemäß der zweiten Ausführungsform" bezeichnet).
Zunächst erfolgt, bevor der Gassensor gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erklärt wird, eine Erklärung bezüglich der Anordnung eines Gassensors (in der Folge zweckmäßigerweise als „zu Vergleichszwecken konstruierter Gassensor" bezeichnet), der erzeugt wurde, bevor der Gassensor gemäß vorliegender Erfindung erfunden wurde.
Wie in 1 gezeigt, umfasst der zu Vergleichszwecken konstruierte Gassensor beispielsweise sechs aufeinander liegende Festelektrolytschichten 10a bis 10f, die aus Keramikmaterial bestehen, das auf der Verwendung von Sauerstoffion-leitenden Festelektrolyten wie ZrO₂ basiert. Die erste und die zweite Schicht von unten werden als erste bzw. zweite Substratschicht 10a, 10b bezeichnet. Die dritte und die fünfte Schicht von unten werden als erste bzw. zweite Abstandshalterschicht 10c, 10e bezeichnet. Die vierte und die sechste Schicht von unten werden als erste bzw. zweite Festelektrolytschicht 10d, 10f bezeichnet.
Im Detail ist die erste Abstandshalterschicht 10c auf die zweite Substratschicht 10b geschichtet. Die erste Festelektrolytschicht 10d, die zweite Abstandshalterschicht 10e und die zweite Festelektrolytschicht 10f sind nacheinander auf die erste Abstandshalterschicht 10c geschichtet. Eine Heizeinrichtung 12 zur Steigerung der Sauerstoffion-Leitfähigkeit ist durch einen isolierenden Film 14 zwischen der ersten und der zweiten Substratschicht 10a, 10b eingebettet.
Ein (als Gaseinbringungsraum bezeichneter) Raum 16, in den ein Referenzgas wie atmosphärische Luft als Referenz zum Messen von Oxiden eingebracht wird, ist zwischen der zweiten Substratschicht 10b und der ersten Festelektrolytschicht 10d ausgebildet, wobei der Raum 16 von einer Unterfläche der ersten Festelektrolytschicht 10d, einer Deckfläche der zweiten-Substratschicht 10b und Seitenflächen der ersten Abstandshalterschicht 10c begrenzt wird.
Ein Raum (Gaseinbringungsraum) 18, in den ein Messgas eingebracht wird, ist zwischen der ersten und der zweiten Festelektrolytschicht 10d, 10f ausgebildet, wobei der Raum 18 von einer Unterfläche der zweiten Festelektrolytschicht 10f, einer Deckfläche der ersten Elektrolytschicht 10d und Seitenflächen der zweiten Abstandshalterschicht 10e begrenzt wird. Ein Diffusionsraten-Bestimmungsabschnitt 20, der mit dem Gaseinbringungsraum 18 kommuniziert, ist durch die oberste zweite Festelektrolytschicht 10f hindurch ausgebildet. Der Diffusionsraten-Bestimmungsabschnitt 20 ist vorgesehen, um dem Messgas, das in den Gaseinbringungsraum 18 einzubringen ist, einen vorbestimmten Diffusionswiderstand zu verleihen. Der Diffusionsraten-Bestimmungsabschnitt 20 kann als Durchlass ausgebildet sein, der beispielsweise aus porösem Material besteht, oder als kleines Loch mit einer vorbestimmten Querschnittsfläche, so dass das Messgas eingebracht werden kann.
Eine erste Elektrode (innere Pumpelektrode 24a) zur Konstruktion einer Sauerstoffpumpe 22, wie weiter unten beschrieben, ist auf einem Abschnitt der Unterfläche der zweiten Festelektrolytschicht 10f zum Bilden des Gaseinbringungsraums 18 ausgebildet. Eine zweite Elektrode (äußere Pumpelektrode 24b) zur Konstruktion der Sauerstoffpumpe 22 ist auf der Deckfläche der zweiten Festelektrolytschicht 10f ausgebildet.
Eine Referenzelektrode 26 zum Messen des Partialdrucks von im Messgas enthaltenem Sauerstoff ist auf einem Abschnitt der Unterfläche der ersten Festelektrolytschicht 10d zum Bilden des Referenzgas-Einbringungsraums 16 ausgebildet.
Bei dieser Anordnung wird eine elektromotorische Kraft einer Sauerstoffkonzentrationszelle auf Basis einer Differenz zwischen einem Sauerstoff-Partialdruck in der atmosphärischen Luft, die in den Referenzgas-Einbringungsraum 16 eingebracht wird, und einem Sauerstoff-Partialdruck im in den Gaseinbringungsraum 18 eingebrachten Messgas erzeugt. Die elektromotorische Kraft ist durch eine elektrische Potentialdifferenz V zwischen dem Referenzgas-Einbringungsraum 16 und dem Gaseinbringungsraum 18 repräsentiert. Die elektrische Potentialdifferenz V kann nach der folgenden Nernst-Gleichung bestimmt werden: V = RT/4F·In(P1(O2)/P0(O2))

R:: Gaskonstante;
T:: absolute Temperatur;
F:: Faraday-Konstante;
P₁(O₂):: Sauerstoff-Partialdruck im Gaseinbringungsraum;
P₀(O₂):: Sauerstoff-Partialdruck im Referenzgas.

Daher kann der Sauerstoff-Partialdruck im Gaseinbringungsraum 18 detektiert werden, indem unter Einsatz eines Voltmeters 28 die auf Basis der Nernst-Gleichung erzeugte elektrische Potentialdifferenz V gemessen wird.
Die innere Pumpelektrode 24a und die äußere Pumpelektrode 24b, die auf der inneren bzw. der äußeren Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 10f ausgebildet sind, bilden die Sauerstoffpumpe 22, mit der der Sauerstoff-Partialdrucks im Messgas, das in den Gaseinbringungsraum 18 eingebracht wird, auf einen vorbestimmten Wert eingestellt wird. Genauer gesagt fungiert die Festelektrolytschicht, die aus einem Material wie ZrO₂ besteht, das über die Sauerstoffion-Leitfähigkeit verfügt, als Pumpe, die beim Anlegen einer Spannung Sauerstoff auspumpt. Die beiden Pumpelektroden 24a, 24b bilden ein Spannungsanlegemittel, durch das es ermöglicht wird, dass die Festelektrolytschicht den Pumpvorgang durchführt.
Im Allgemeinen wird eine Pumpspannung Vp, die auf Basis der vom Voltmeter 28 detektierten elektrischen Potentialdifferenz V eingestellt ist, mit Hilfe einer variablen Spannungsquelle 30 zwischen der inneren Pumpelektrode 24a und der äußeren Pumpelektrode 24b angelegt. Entsprechend dem Anlegen der Pumpspannung Vp wird von der Sauerstoffpumpe 22 Sauerstoff aus dem Gaseinbringungsraum 18 heraus oder in diesen hinein gepumpt. Entsprechend wird der Sauerstoff-Partialdruck im Gaseinbringungsraum 18 auf einen vorbestimmten Wert eingestellt.
Der zu Vergleichszwecken konstruierte Gassensor ist so angeordnet, dass die Spannung zwischen der inneren Pumpelektrode 24a und der Referenzelektrode 26 gemessen wird, um eine Differenz zwischen der gemessenen Spannung und der Referenzspannung zu ermitteln, so dass die Pumpspannung Vp auf Basis der ermittelten Spannungsdifferenz oder Differenzspannung geregelt wird.
Genauer gesagt ist, wie in 2 gezeigt, der zu Vergleichszwecken konstruierte Gassensor wie folgt verdrahtet und angeschlossen: Der Gassensor ist mit einem Vergleichsverstärker 32 versehen, um die Referenzspannung Vb mit der Klemmenspannung zwischen der Referenzelektrode 26 und der inneren Pumpelektrode 24 zu vergleichen, um eine Menge zu erhalten, die einer Differenz zwischen diesen entspricht, und die der Differenz entsprechende Menge mit einer vorbestimmten Verstärkung zu verstärken, um ein Ausgangssignal zu erhalten. Die Ausgangsspannung (Differenzspannung) vom Vergleichsverstärker 32 wird als die der Sauerstoffpumpe 22 zugeführte Pumpspannung Vp zwischen der inneren Pumpelektrode 24a und der äußeren Pumpelektrode 24b angelegt.
Bei dieser Anordnung wird, wenn die von der Sauerstoffpumpe 22 ausgepumpte Sauerstoffmenge geändert wird und die Sauerstoffkonzentration im Gaseinbringungsraum 18 geändert wird, die Klemmenspannung zwischen der inneren Pumpelektrode 24a der Sauerstoffpumpe 22 und der Referenzelektrode 26 ohne zeitliche Verzögerung geändert (die Klemmenspannung wird in Realzeit geändert). Dem gemäß kann das Oszillationsphänomen in der Rückkopplungsregelung wirksam unterdrückt werden.
Im Rückkopplungsregelungssystem wird die Pumpspannung Vp (Ausgangsspannung) einer Rückkopplungsregelung unterzogen, so dass die Klemmenspannung zwischen der inneren Pumpelektrode 24a und der Referenzelektrode 26 auf den Pegel konvergiert, der jenem der Referenzspannung Vb entspricht.
Zusätzlich zur oben beschriebenen Anordnung umfasst der zu Vergleichszwecken konstruierte Gassensor des Weiteren einen Widerstand R, der zwischen die innere Pumpelektrode 24a und Erde (GND) geschaltet ist, sowie einen Verstärker 42 (Operationsverstärker), der zwischen ein Ende des Widerstands R und eine Erzeugungsquelle (Spannungsquelle 40) der Referenzspannung Vb eingefügt und geschaltet ist. Genauer gesagt ist das eine Ende des Widerstands R an einen nicht invertierenden Anschluss des Verstärkers 42 angeschlossen, und ein invertierender Anschluss des Verstärkers 42 ist an die Erde angeschlossen. Eine Ausgangsklemme des Verstärkers 42 ist an einen negativen Pol der Spannungsquelle 40 angeschlossen.
Genauer gesagt ist der zu Vergleichszwecken konstruierte Gassensor so verdrahtet und angeschlossen, dass der zwischen der inneren Pumpelektrode 24a und der äußeren Pumpelektrode 24b fließende Strom, der dem von der Sauerstoffpumpe 22 ausgepumpten Sauerstoff entspricht, entsprechend dem Spannungsabfall im Widerstand R in eine Spannung umgewandelt wird, die einem Wert des Stroms entspricht, und die Spannung an die nicht invertierende Klemme des Verstärkers 42 angelegt wird.
Im Allgemeinen fließt der Strom (Pumpstrom) durch die Sauerstoffpumpe 22, wenn der Sauerstoff von der Sauerstoffpumpe 22 ausgepumpt wird. Daher erscheint die Menge, die dem aus der Impedanz der Sauerstoffpumpe 22 resultierenden Spannungsabfall entspricht, als Fehler beim Vorgang der Pegeleinstellung für die Pumpspannung Vp.
Beim zu Vergleichszwecken konstruierten Gassensor wird jedoch der durch die Sauerstoffpumpe 22 fließende Pumpstrom unter Einsatz des Widerstands R in die Spannung umgewandelt, und die Spannung wird vom Verstärker 42 mit einer vorbestimm ten Verstärkung verstärkt, so dass eine Korrekturspannung erhalten wird, die der Spannungsquelle 40 überlagert wird. Genauer gesagt wird die Spannung zwischen der inneren Pumpelektrode 24a und der Referenzelektrode 26 nur mit dem Wert überlagert, der dem aus einem Grenzwiderstand (Impedanz) der inneren Pumpelektrode 24a resultierenden Spannungsabfall entspricht. Der dem Spannungsabfall entsprechende Wert wird beträchtlich verringert. Daher genügt es, den dem Spannungsabfall entsprechenden Wert leicht zu korrigieren, und somit wird die Genauigkeit in diesem Ausmaß verbessert. Mit anderen Worten, der Wert, der dem aus der Impedanz der Sauerstoffpumpe 22 resultierenden Spannungsabfall entspricht, spiegelt sich als Korrekturspannung in der Referenzspannung wider (oder überlagert die Referenzspannung). Dem gemäß ist es möglich, den aus der Impedanz der Sauerstoffpumpe 22 resultierenden Fehler in Bezug auf die Pumpspannung Vp aufzufangen, was es ermöglicht, die Rückkopplungsregelung für die Pumpspannung Vp mit einem hohen Grad an Genauigkeit durchzuführen. Das führt zu einer sehr präzisen Detektion der Sauerstoffkonzentration im Gaseinbringungsraum 18.
Beim zu Vergleichszwecken konstruierten Gassensor wie oben beschrieben findet, wenn der zwischen der äußeren Pumpelektrode 24b und der inneren Pumpelektrode 24a der Sauerstoffpumpe 22 fließende Strom erhöht wird und die Summe aus (Referenzspannung + Korrekturspannung) erhöht wird, positive Rückkopplung statt, so dass die Ausgangsspannung des Vergleichsverstärkers 32 erhöht wird und als Folge daraus der Pumpstrom erhöht wird, was einen Zustand herbeiführt, in dem die Tendenz zu Oszillation besteht. Tatsächlich ist gezeigt worden, dass es unmöglich ist, eine Spannung zu korrigieren, die (Impedanz der Sauerstoffpumpe 22x Pumpstrom) entspricht.
3 zeigt eine Kennlinie, die einen solchen Zustand veranschaulicht. Bei diesem Versuch ist die Temperatur der Sauerstoffpumpe 22 so eingestellt, dass die Impedanz der Sauerstoffpumpe 22 100 Ω beträgt. Unter dieser Bedingung beträgt die Impedanz zwischen der inneren Pumpelektrode 24a und der Referenzelektrode 26 35 Ω, und ein Idealwert der Korrekturspannung ist (35 Ω x Pumpstrom). Tatsächlich ist die Korrektur jedoch aufgrund von Oszillation nur für (17,5 Ω x Pumpstrom) erfolgreich, was die Hälfte des Idealwerts ist.
Daher weicht, wenn die Impedanz der Sauerstoffpumpe 22 im Verlauf der Verwendung erhöht wird, der Arbeitspunkt-möglicherweise vom flachen Abschnitt der Grenzstrom-Kennlinie ab.
Die vorliegende Erfindung ist gemacht worden, um das oben beschriebene Problem zu lösen, und ermöglicht es, eine Korrektur bezüglich jener mit gleich hoher wie oder nicht weniger als den Wert von (Impedanz der Sauerstoffpumpe 22 x Pumpstrom) durchzuführen, indem einfache elektronische Komponenten ohne Verwendung einer Impedanz-Messeinrichtung, eines darauf basierenden Heizeinrichtungsregelungsmittels und eines Korrekturspannungsregelungsmittels verwendet werden. Des Weiteren ermöglicht es die vorliegende Erfindung, einen Betrieb im flachen Abschnitt der Grenzstrom-Kennlinie durchzuführen, auch wenn die Impedanz der Sauerstoffpumpe 22 im Verlauf der Verwendung erhöht wird.
Das Oszillationsphänomen resultiert nicht einfach nur aus der positiven Rückkopplung. Das Oszillationsphänomen resultiert auch aus der Tatsache, dass die Impedanz der Sauerstoffpumpe 22 konstruiert ist, wie in 4 gezeigt, und sie eine große Menge an kapazitiven Komponenten enthält. Genauer gesagt ist die Impedanz der Sauerstoffpumpe 22 gleich einer Schaltung, die einen Grenzwiderstand Z1 zwischen der äußeren Pumpelektrode 24 und der zweiten Festelektrolytschicht 10f, basierend auf der Parallelschaltung eines Widerstands R1 und eines Kondensators C1; einen Korngrenzenwiderstand Z2 zwischen ZrO₂-Körnern in der zweiten Festelektrolytschicht 10f, basierend auf Parallelschaltung eines Widerstands R2 und eines Kondensators C2; einen ZrO₂-Kornwiderstand Z3 in der zweiten Festelektrolytschicht 10f, basierend auf dem Widerstand R; sowie einen Grenzwiderstand Z4 zwischen der inneren Pumpelektrode 24a und der zweiten Festelektrolytschicht 10f, basierend auf Parallelschaltung eines Widerstands R4 und eines Kondensators C4, umfasst, wobei die Widerstände Z1 bis Z4 in Serie geschaltet sind. Daher enthält die Impedanz der Sauerstoffpumpe 22 eine große Menge der kapazitiven Komponenten.
Wenn daher beispielsweise, wie in 5A gezeigt, der Pumpstrom rasch stufenweise angehoben wird, fließt der Pumpstrom sofort über den Kondensator C1 und den Kondensator C2 durch den Widerstand R3 und den Kondensator C4. Der Widerstand R1, der Widerstand R2 und der Widerstand R4 werden vernachlässigt. Daher fließt eine große Strommenge, wie in 5B gezeigt. Wenn die Pumpspannung beibehalten wird, werden der Kondensator C1, der Kondensator C2 und der Kondensator C4 im Lauf der Zeit geladen. Folglich ist der Strom auf einen Wert festgelegt, der durch Widerstand R1 + Widerstand R2 + Widerstand R3 + Widerstand R4 bestimmt ist.
Genauer gesagt wird, wie in 5C gezeigt, die Korrekturspannung, die die Referenzspannung Vb überlagert, sofort eine große Spannung, und ist entsprechend der Festlegung des Stroms auf einen bestimmten konstanten Wert festgelegt. Die Spitze des Pumpstroms und die resultierende Spitze der Korrekturspannung erhöht rasch die positive Rückkopplungsspannung im Verstärker 42. Als Ergebnis besteht die Gefahr, dass Oszillation auftreten kann.
Gemäß vorliegender Erfindung wird die Spitze des Pumpstroms unterdrückt, so dass das Auftreten des Oszillationsphänomens unterdrückt wird, der korrigierbare Bereich (korrigierbare dynamische Bereich) wird vergrößert, und die Verringerung der Genauigkeit, die andernfalls durch die Zunahme der Impedanz der Sauerstoffpumpe 22 im Verlauf der Verwendung verursacht würde, wird verbessert.
Als nächstes wird ein Gassensor gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die 6 bis 11 erklärt. Komponenten oder Teile, die den in 1 gezeigten entsprechen, werden durch identische Bezugszeichen bezeichnet.
Der Gassensor gemäß der ersten Ausführungsform ist in etwa auf die gleiche Weise konstruiert wie der oben beschriebene zu Vergleichszwecken konstruierte Gassensor. Der Gassensor gemäß der ersten Ausführungsform unterscheidet sich jedoch vom zu Vergleichszwecken konstruierten Gassensor in den folgenden Punkten: Ein Widerstand Ri zum Detektieren des Pumpstroms ist zwischen die Ausgangsklemme des Vergleichsverstärkers 32 und die äußere Pumpelektrode 24b der Sauerstoffpumpe 22 eingefügt und dazwischen geschaltet. Beide Enden des Widerstands Ri bilden einen Kurzschluss mit einem dazwischen eingefügten Kondensator C. Des Weiteren ist eine Elektrode des Kondensators C an eine nicht invertierende Klemme eines Differentialverstärkers 44 angeschlossen, und die andere Elektrode des Kondensators C ist an eine invertierende Klemme des Differentialverstärkers 44 angeschlossen.
Beim Gassensor gemäß dieser Ausführungsform stellen der Widerstand Ri und der Kondensator C eine Zeitkonstante bereit, bei der eine Phasenkompensationsschaltung zum proportionalen integrierenden Betrieb in das Rückkopplungsregelungssystem für die Pumpspannung Vp eingefügt und eingeschaltet ist. So ist es möglich, das spitzenförmige Rauschen, das in der Ausgangsspannung des Differentialverstärkers 44, d.h. in der Korrekturspannung, erzeugt wird, wirksam zu unterdrücken.
Wenn der Pumpstrom beispielsweise auf einen hohen Pegel angehoben wird, wird der Kondensator C mit dem Strom geladen, der dem angehobenen Abschnitt entspricht. Bei dieser Ausführungsform wird der Kondensator C jedoch zunächst mit dem Strom geladen, der dem spitzenförmigen Abschnitt des Pumpstroms entspricht. Daher ist die Wellenform der Spannung, die an den stromab gelegenen Differentialverstärker 44 angelegt wird, eine im Wesentlichen rechteckige Signalwellenform. Das spitzenförmige Rauschen im Pumpstrom wird nämlich vom Kondensator C unterdrückt. Als Ergebnis wird das spitzenförmige Rauschen in der Korrekturspannung, mit der die Referenzspannung zu überlagern ist, ebenfalls unterdrückt. Das führt zu einer hohen Genauigkeit der Einstellung für die Pumpspannung Vp, die vom Vergleichsverstärker 32 durchgeführt wird. Dem gemäß ist es möglich, die Sauerstoffkonzentration im Messgas, das in den Gaseinbringungsraum 18 eingebracht wird, präzise zu messen.
Nun erfolgt eine Erklärung eines Versuchs in Bezug auf die Grenzstrom-Kennlinien des Gassensors gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung (Arbeitsbeispiel) und des zu Vergleichszwecken konstruierten Gassensors (Vergleichsbei spiel). 7 zeigt die in diesem Versuch für das Vergleichsbeispiel erhaltene Grenzstrom-Kennlinie, und 8 zeigt die für das Arbeitsbeispiel erhaltene Grenzstrom-Kennlinie. Bei diesem Versuch wird Erwärmung durchgeführt, so dass die Sauerstoffpumpe 22 eine Impedanz von 100 Ω aufweist. Unter dieser Bedingung beträgt die Impedanz zwischen der inneren Pumpelektrode 24a und der Referenzelektrode 26 35 Ω, und ein Idealwert der Korrekturspannung ist (35 Ω x Pumpstrom). Um den Versuch zu vereinfachen, wird der Verstärkungsgrad des Differentialverstärkers 44 mit 1 angenommen.
Im Fall des Vergleichsbeispiels tritt Oszillation auf, wenn der Widerstand R einen Widerstandswert von nicht weniger als 18 Ω aufweist. Dem gemäß ist der Widerstandswert auf 17,5 Ω festgelegt, was die Hälfte des Idealwerts von 35 Ω ist. Daher beträgt das Korrekturausmaß die Hälfte des Idealwerts. Es versteht sich jedoch, dass das Ausmaß an Korrektur im Vergleich zum herkömmlichen Gassensor stark verbessert ist (siehe die in 21 gezeigte Kennlinie). Der Grund dafür ist die folgende Wirkung: Im Fall des herkömmlichen Gassensors ist es notwendig, die gesamte Impedanz Zp der Sauerstoffpumpe 22 zu korrigieren. Im Gegensatz dazu können im Fall des Vergleichsbeispiels und des Arbeitsbeispiels Z1, Z2 und Z3 im folgenden Ausdruck zur Regelung der Pumpspannung Vp auf Basis der Spannung zwischen der inneren Pumpelektrode 24a und der Referenzelektrode 26 vernachlässigt werden. Daher wird der Wert, der dem zu korrigierenden Spannungsabfall entspricht, stark verringert. Zp = Z1 + Z2 + Z3 + Z4

Z1:: Grenzwiderstand zwischen der äußeren Pumpelektrode 24 und der zweiten Festelektrolytschicht 10f;
Z2:: Grenzwiderstand zwischen ZrO₂-Körnern in der zweiten Festelektrolytschicht 10f;
Z3:: ZrO₂-Kornwiderstand in der zweiten Festelektrolytschicht 10f;
Z4:: Grenzwiderstand zwischen der inneren Pumpelektrode 24a und der zweiten Festelektrolytschicht 10f.

Wenn der Gassensor mit dem Kondensator C versehen ist (Kondensator C weist eine Kapazität von 300 μF auf), tritt keine Oszillation auf, auch wenn der Widerstandswert des Widerstands Ri zum Detektieren des Pumpstroms auf 35 Ω festgelegt ist. Aus diesem Grund ist der Widerstandswert des Widerstands Ri zum Detektieren des Pumpstroms auf 35 Ω festgelegt. Es ist jedoch bestätigt worden, dass der Grenzpunkt für das Auftreten von Oszillation in der Nähe von 50 Ω liegt, was um etwa 50% über dem Idealwert von 35 Ω liegt.
Wie aus 8 klar hervorgeht, ist es, wenn der Gassensor mit dem Kondensator C versehen ist, möglich, die ideale Korrektur vorzunehmen. Der Gassensor kann betrieben werden, während der Arbeitspunkt auf einem der Punkte gehalten wird, die den identischen Wert betreffen, der der elektromotorischen Kraft entspricht, auch wenn die Sauerstoffkonzentration stark verändert wird.
Die 8 bis 11 zeigen jeweils Korrekturzustände nach Testautoläufen über 30.000 km unter Einsatz eines Testautos mit einem 4-Zylinder-Reihenmotor mit 2,0 l. 9 betrifft den herkömmlichen Gassensor, 10 betrifft den zu Vergleichszwecken konstruierten Gassensor (Vergleichsbeispiel) und 11 betrifft den Gassensor gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung (Arbeitsbeispiel). In 9 zeigt eine Punkt-Punkt-Strich-Linie eine Kennlinie, die in einem Zustand zu Beginn des Laufs (Anfangszustand) erhalten wird, und eine durchgehende Linie zeigt eine Kennlinie, die nach einem Lauf über 30.000 km erhalten wird. In den 10 und 11 zeigen dünne durchgehende Linien Kennlinien, die in einem Zustand zu Beginn des Laufs (Anfangszustand) erhalten werden, und dicke durchgehende Linien zeigen Kennlinien, die nach einem Lauf über 30.000 km erhalten werden.
Die in den 9 bis 11 gezeigten Kennlinien machen die folgenden Fakten verständlich: Im Fall des herkömmlichen Gassensors kann bei einer Sauerstoffkonzentration von 20% keinerlei Korrektur durchgeführt werden, und der Betriebspunkt am flachen Abschnitt tritt bei einer Konzentration von 5% kaum auf. Im Gegensatz dazu kommt es beim Arbeitsbeispiel zur Synergiewirkung zwischen der Regelung für die Pumpspannung Vp auf Basis der Spannung zwischen der inneren Pumpelektrode 24a und der Referenzelektrode 26 sowie der Erreichung des Idealwerts der Korrekturspannung auf Basis des Vermeidens von Oszillation aufgrund von Kondensator C. Genauer gesagt kann im Fall des Arbeitsbeispiels der Betrieb immer noch in der Nähe von 320 mV mit einem Wert durchgeführt werden, der der elektromotorischen Kraft am flachen Abschnitt entspricht, auch wenn die Sauerstoffkonzentration im Messgas 20% beträgt, was etwa gleich hoch wie die Sauerstoffkonzentration in atmosphärischer Luft ist. Daher ist zu erkennen, dass der Gassensor gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung für die Durchführung der Korrektur nützlich ist.
Im Allgemeinen wird die Zunahme der Impedanz der Sauerstoffpumpe 22 im Verlauf der Verwendung hauptsächlich durch die Zunahme des Grenzwiderstands der äußeren Pumpelektrode 24b verursacht. Der Gassensor gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ermöglicht es, die Korrektur mit einem Wert vorzunehmen, der sich dem Idealwert annähert, zusätzlich zur Tatsache, dass die Korrektur durchgeführt wird, während die äußere Pumpelektrode 24b vernachlässigt wird. Die Synergiewirkung obiger Faktoren ermöglicht es, die hohe Genauigkeit beizubehalten, während die einfache Anordnung eingesetzt wird, auch wenn die Impedanz der Sauerstoffpumpe 22 im Verlauf der Verwendung zunimmt.
Als nächstes werden unter Bezugnahme auf die 12 bis 14 mehrere modifizierte Ausführungsformen des Gassensors gemäß der ersten Ausführungsform erklärt. Komponenten oder Teile, die den in 6 gezeigten entsprechen, sind mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet, wobei eine nochmalige Erklärung entfällt.
Zunächst wird, wie in 12 gezeigt, ein Gassensor gemäß einer ersten modifizierten Ausführungsform im Wesentlichen auf die gleiche Weise konstruiert wie der Gassensor gemäß der in 6 gezeigten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Jedoch unterscheidet sich Ersterer von Letzterem dadurch, dass der Kondensator C zwischen die Ausgangsklemme des Differentialverstärkers 44 und die Erde geschaltet ist. Der Gassensor gemäß der ersten modifizierten Ausführungsform weist auch eine Wirkung auf, die jener entspricht, die vom Gassensor gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erzielt wird. Bei dieser modifizierten Ausführungsform ist die Ausgangsimpedanz des Differentialverstärkers 44 im Allgemeinen extrem niedrig. Daher ist es notwendig, eine große Kapazität des Kondensators C einzustellen, um für eine ausreichende Spitzenbeseitigungswirkung zu sorgen. Es ist wünschenswert, Anordnungen zu verwenden, die nachstehend beschriebene zweite und dritte modifizierte Ausführungsformen betreffen.
Genauer gesagt ist, wie in 13 gezeigt, bei einem Gassensor gemäß der zweiten modifizierten Ausführungsform der Widerstand R zwischen der Ausgangsklemme des Differentialverstärkers 44 und der Erzeugungsquelle (Spannungsquelle 40) der Referenzspannung Vb eingefügt und dazwischen geschaltet, und der Kondensator C ist zwischen ein Ende des Widerstands R auf der Seite der Spannungsquelle 40 und die Erde geschaltet.
Bei dieser modifizierten Ausführungsform kommt es zum Tragen, dass die aus CR bestehende Zeitkonstante nicht weniger als 1/5 einer Oszillationsperiode ausmacht, die erhalten wird, wenn ohne Verwendung des Kondensators C Oszillation auftritt. Als bestätigendes Ergebnis unter Verwendung der gleichen Probe wie jener, die im oben beschriebenen Versuch verwendet wird, wird die Oszillation beendet, wenn der Widerstand R 10 Ω hat und der Kondensator C1 μF hat, nämlich wenn die Zeitkonstante 10 ms beträgt, bezogen auf eine Oszillationsperiode von 50 ms.
Bei einem Gassensor gemäß der dritten Ausführungsform ist, wie in 14 gezeigt, der Widerstand R in Serie mit dem nicht invertierenden Eingangsanschluss des Differentialverstärkers 44 geschaltet, und der Kondensator C ist zwischen den nicht invertierenden Eingangsanschluss und den invertierenden Eingangsanschluss des stromab davon befindlichen Differentialverstärkers 44 geschaltet. Bei dieser modifizierten Ausführungsform ist die aus CR bestehende Zeitkonstante in etwa gleich groß wie jene des Gassensors gemäß der zweiten modifizierten Ausführungsform.
Als nächstes wird unter Bezugnahme auf 15 ein Gassensor gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erklärt. Die spezifische Anordnung von 15 fällt nicht in den Schutzumfang der Erfindung.
Der Gassensor gemäß der zweiten Ausführungsform ist im Wesentlichen der gleiche wie der Gassensor gemäß der ersten Ausführungsform und umfasst somit beispielsweise sechs aufeinander geschichtete Festelektrolytschichten 10a bis 10f, die aus Keramikmaterial bestehen, das auf der Verwendung von Sauerstoffion-leitenden Festelektrolyten wie ZrO₂ basiert, und die sechs Festelektrolytschichten 10a bis 10f sind so ausgebildet, dass sie jeweils eine längliche plattenförmige Konfiguration aufweisen. Ersterer unterscheidet sich von Letzterem jedoch dadurch, dass zwischen der ersten und der zweiten Festelektrolytschicht 10d, 10f eine zweite Abstandshalterschicht 10e angeordnet ist und dass zwischen der ersten und der zweiten Festelektrolytschicht 10d, 10f ein erster und ein zweiter Diffusionsraten-Bestimmungsabschnitt 50, 52 angeordnet sind.
Eine erste Kammer 54 zum Einstellen des Sauerstoff-Partialdrucks in einem Messgas wird von einer Unterfläche der zweiten Festelektrolytschicht 10f, Seitenflächen des ersten und des zweiten Diffusionsraten-Bestimmungsabschnitts 50, 52 und einer Deckfläche der ersten Festelektrolytschicht 10d gebildet und begrenzt. Eine zweite Kammer 56 zum Messen von Oxiden, wie beispielsweise Stickstoffoxiden (NOx) im Messgas wird von einer Unterfläche der zweiten Festelektrolytschicht 10f, einer Seitenfläche des zweiten Diffusionsraten-Bestimmungsabschnitts 52, Seitenflächen der zweiten Abstandshalterschicht 10e und einer Deckfläche der ersten Festelektrolytschicht 10d gebildet und begrenzt. Die erste Kammer 54 kommuniziert mit der zweiten Kammer 56 durch den zweiten Diffusionsraten-Bestimmungsabschnitt 52.
Eine erste Elektrode (obere Pumpelektrode 60a) zur Konstruktion einer zweiten Sauerstoffpumpe 58, wie weiter unten beschrieben, ist auf einem Abschnitt der Deckfläche der ersten Festelektrolytschicht 10d ausgebildet, um die zweite Kammer 56 zu bilden. Eine zweite Elektrode (untere Pumpelektrode 60b) zur Konstruktion der zweiten Sauerstoffpumpe 58 ist auf einem Abschnitt der ersten Festelektrolytschicht 10d ausgebildet, um den Referenzgas-Einbringungsraum 16 zu bilden, wobei der Abschnitt ein anderer als der Abschnitt für die Referenzelektrode 26 ist.
Der erste und der zweite Diffusionsraten-Bestimmungsabschnitt 50, 52 bieten dem Messgas, das in die erste bzw. die zweite Kammer 54, 56 einzubringen ist, vorbestimmte Diffusionswiderstände. Sowohl der erste als auch der zweite Diffusionsraten-Bestimmungsabschnitt 50, 52 kann als Durchgang ausgebildet sein, der beispielsweise aus einem porösen Material besteht, oder als Loch mit einer vorbestimmten Querschnittsfläche, so dass das Messgas eingebracht werden kann.
Beim Gassensor gemäß dieser Ausführungsform wird die Pumpspannung Vp, die auf Basis der vom Potentiometer 28 ermittelten elektrischen Potentialdifferenz V festgelegt ist, auf die gleiche Weise wie oben beschrieben mit Hilfe der variablen Spannungsquelle 30 zwischen der inneren Pumpelektrode 24a und der äußeren Pumpelektrode 24b angelegt, die für die erste Kammer 54 vorgesehen sind. Entsprechend dem Anlegen der Pumpspannung Vp wird von der Sauerstoffpumpe 22 Sauerstoff aus der ersten Kammer heraus oder in sie hinein gepumpt. So wird der Sauerstoff-Partialdruck in der ersten Kammer 54 auf einen vorbestimmten Wert festgelegt. Genauer gesagt umfasst der Gassensor einen Sauerstoffkonzentrationsregler 62, der aus der ersten Kammer 54, der Sauerstoffpumpe 22, der Referenzelektrode 26 und dem Referenzgas-Einbringungsraum 16 konstruiert ist. Im Wesentlichen wird der Vorgang zum Messen von Stickstoffoxiden in der zweiten Kammer 56 durchgeführt.
Nachstehend erfolgt eine kurze Erklärung des Prinzips der Messung, die vom Gassensor gemäß der zweiten Ausführungsform durchgeführt wird. Die Pumpspannung Vp wird unter Verwendung der Sauerstoffpumpe 22 des Sauerstoffkonzentrationsreglers 62 so angelegt, dass die Sauerstoffkonzentration in der ersten Kammer 54 eine solche Höhe hat, dass die Zersetzung von NOx verhindert wird, beispielsweise 10^–7 atm. Das Ziel, die NOx-Zersetzung bei 10^–7 atm zu verhindern, wird erreicht, indem für die innere Pumpelektrode 24a ein Material verwendet wird, das geringes NOx-Reduktionsvermögen aufweist, beispielsweise eine Legierung aus Au und Pt.
Die Sauerstoffkonzentration in der ersten Kammer 54 wird auf Basis der Klemmenspannung zwischen der inneren Pumpelektrode 24a der Sauerstoffpumpe 22 und der Referenzelektrode 26 ermittelt, auf die gleiche Weise, wie es beim Gassensor gemäß der oben beschriebenen Ausführungsform erfolgt. Die Pumpspannung Vp wird so geregelt und an die Sauerstoffpumpe 22 angelegt, dass sich die Klemmenspannung der Bezugsspannung Vb annähert, nämlich die Sauerstoffkonzentration in der ersten Kammer etwa null ist.
Dem gemäß bleibt das Stickstoffmonoxid (NO) in der ersten Kammer 54. In der ersten Kammer 54 verbliebenes NO geht durch den zweiten Diffusionsraten-Bestimmungsabschnitt 52 hindurch und fließt in die nächste zweite Kammer 56. In der zweiten Kammer 56 wird eingebrachtes NO in N und O aufgespaltet, und die Konzentration von Sauerstoff O wird gemessen, um indirekt die NO-Konzentration zu bestimmen. Das Ziel, die Zersetzung von NO zu bewirken, wird erreicht, indem für die obere Pumpelektrode 60a ein Material verwendet wird, das NOx-Reduktionsvermögen aufweist, wie beispielsweise Rh und Pt.
Die Messung des Sauerstoffs O wird durchgeführt, indem der zwischen der oberen Pumpelektrode 60a und der unteren Pumpelektrode 60b fließende Strom gemessen wird. Genauer gesagt wird eine Pumpspannungsquelle 64 zwischen die untere Pumpelektrode 60b und die obere Pumpelektrode 60a geschaltet, so dass der Strom in eine solche Richtung fließt, dass Sauerstoff O₂ aus der zweiten Kammer 56 ausgepumpt wird. Während dieses Vorgangs kommt es, wenn in der zweiten Kammer 56 kein Sauerstoff vorhanden ist, nicht zu einer Migration von Sauerstoff (Auspumpen von Sauerstoff) zwischen den beiden Elektroden 60a, 60b. Daher fließt zwischen den beiden Elektroden 60a, 60b kein Strom. Wenn in der zweiten Kammer 56 Sauerstoff vorhanden ist, fließt entsprechend dem Auspump-Vorgang für Sauerstoff Strom zwischen den beiden Elektroden 60a, 60b. Daher kann die Sauerstoffkonzentration in der zweiten Kammer 56 gemessen werden, indem ein Strommesser 66 eingefügt und mit der Pumpspannungsquelle 64 in Serie geschaltet wird, um ihren Stromwert zu messen. Der Stromwert ist proportional zur Menge an ausgepumptem Sauerstoff.
Dem gemäß kann die Menge an NO aus dem Stromwert ermittelt werden. Dem gemäß kann zur selben Zeit gleichermaßen auch NO₂ gemessen werden.
Genauer gesagt wird der Gassensor gemäß der zweiten Ausführungsform wie folgt betätigt. Die Sauerstoffkonzentration im Messgas wird in der ersten Kammer 54 auf einen niedrigen konstanten Wert gebracht. Gebundener Sauerstoff wird mit Hilfe des Katalysators oder durch Elektrolyse in der zweiten Kammer 56 abgebaut. Während des Abbaus erzeugter Sauerstoff wird unter Einsatz der zweiten Sauerstoffpumpe 58 ausgepumpt. Der Strom, der während des Auspumpvorgangs fließt, wird gemessen. So wird die Konzentration der Gaskomponente gemessen, die gebundenen Sauerstoff enthält.
Wenn als die Gaskomponente, die gebundenen Sauerstoff enthält, NOx gemessen wird, wird NOx in der zweiten Kammer 56 vorzugsweise mit Hilfe des Katalysators abgebaut. Wenn H₂O und CO₂ gemessen werden, wird der Vorgang vorzugsweise mit Hilfe der Elektrolyse durchgeführt.
Wenn eine entflammbare Gaskomponente wie HC gemessen wird, wird der Vorgang wie folgt durchgeführt. Zunächst wird die Pumpspannung so angelegt, dass die Sauerstoffkonzentration der ersten Kammer 54 eine Höhe von beispielsweise 10^–15 atm aufweist, bei der die entflammbare Gaskomponente nicht brennt. Die Pumpspannungsquelle wird in einer Richtung angeschlossen, um Sauerstoff in die zweite Kammer 56 einzupumpen, so dass die entflammbare Gaskomponente brennen kann. Während dieses Vorgangs kann die Menge des entflammbaren Gases ermittelt werden, indem die Menge an Sauerstoff, die zum Verbrennen der entflammbaren Gaskomponente erforderlich ist, d.h. der Pumpstrom, gemessen wird.
Der Gassensor gemäß der zweiten Ausführungsform ist wie folgt auf die gleiche Weise wie der Gassensor gemäß der ersten Ausführungsform konstruiert: Die Spannung zwischen der inneren Pumpelektrode 24a und der Referenzelektrode 26 des Sauerstoffkonzentrationsreglers 62 wird gemessen, um eine Differenz zwischen der gemessenen Spannung und der Referenzspannung zu bestimmen. Die Pumpspannung Vp wird unter Einsatz der Differenzspannung geregelt.
Im Speziellen ist der Gassensor gemäß der zweiten Ausführungsform verdrahtet und angeschlossen, wie in 16 gezeigt, und umfasst einen Vergleichsverstärker 32, um die Referenzspannung Vb mit der Klemmenspannung zwischen der Referenzelektrode 26 und der inneren Pumpelektrode 24a zu vergleichen und eine Differenz dazwischen mit einer vorbestimmten Verstärkung zu verstärken, um ein Ausgangssignal zu erhalten. Die Ausgangsspannung (Differenzspannung) vom Vergleichsverstärker 32 wird als die der Sauerstoffpumpe 22 zugeführte Pumpspannung Vp zwischen der inneren Pumpelektrode 24a und der äußeren Pumpelektrode 24b angelegt. Ein Widerstand Ri zum Detektieren des Pumpstroms ist zwischen dem Ausgangsanschluss des Vergleichsverstärkers 32 und der äußeren Pumpelektrode 24b der Sauerstoffpumpe 22 eingefügt und geschaltet. Beide Enden des Widerstands Ri zum Detektieren des Pumpstroms bilden einen Kurzschluss mit einem dazwischen eingefügten Kondensator C. Des Weiteren ist eine Elektrode des Kondensators C an einen nicht invertierenden Anschluss eines Differentialverstärkers 44 angeschlossen, und die andere Elektrode des Kondensators C ist an einen invertierenden Anschluss des Differentialverstärkers 44 angeschlossen.
Beim Gassensor gemäß der zweiten Ausführungsform ist die Klemmenspannung (gemessene Spannung), die an die invertierende Klemme des Vergleichsverstärkers 32 angelegt wird, die Klemmenspannung zwischen der inneren Pumpelektrode 24a der Sauerstoffpumpe 22 und der Referenzelektrode 26 im Referenzgas-Einbringungsraum 16. Daher erscheint die Veränderung der Sauerstoffkonzentration in der ersten Kammer 54 ohne jegliche zeitliche Verzögerung als Veränderung der Klemmenspannung zwischen der inneren Pumpelektrode 24a der Sauerstoffpumpe 22 und der Referenzelektrode 26. Dem gemäß ist es möglich, das Oszillationsphänomen in der Rückkopplungsregelung wirksam zu unterdrücken.
Des Weiteren stellen der Widerstand Ri zum Detektieren des Pumpstroms und der Kondensator C eine Zeitkonstante bereit, durch die eine Anordnung verwirklicht wird, bei der eine Phasenkompensationsschaltung zum integrierenden Betrieb in das Rückkopplungsregelungssystem für die Pumpspannung Vp eingefügt und geschaltet ist. So ist es möglich, wirksam das spitzenförmige Rauschen zu unterdrücken, das in der Ausgangsspannung des Differentialverstärkers 44, d.h. in der Korrekturspannung, erzeugt wird. Das führt zu einer hohen Genauigkeit der Einstellung für die Pumpspannung Vp, die vom Vergleichsverstärker 32 durchgeführt wird. Dem gemäß ist es möglich, die Sauerstoffkonzentration im Messgas, das in die erste Kammer 54 eingebracht wird, präzise zu messen.
Der Gassensor gemäß der zweiten Ausführungsform kann die Anordnung der ersten, der zweiten oder der dritten modifizierten Ausführungsform des Gassensors gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufweisen.

Claims

Gassensor, umfassend: einen ersten Raum (18) für das Einbringen eines Messgases in diesen, der von aus Festelektrolyten bestehenden Substraten umgeben ist; ein Gaspumpmittel (22), das eine innere und eine äußere Elektrode (24a, 24b) umfasst, die innerhalb bzw. außerhalb des von den Substraten umgebenen ersten Raums (18) ausgebildet sind, wobei eines der Substrate (10f) zwischen den beiden Elektroden (24a, 24b) angeordnet ist, und eine Pumpspannungsquelle (30) zum Anlegen einer Steuerspannung (Vp) zwischen den beiden Elektroden (24a, 24b) umfasst, um eine vorbestimmte Gaskomponente auszupumpen; einen zweiten Raum (16) für das Einbringen eines Referenzgases in diesen, der von aus Festelektrolyten bestehenden Substraten umgeben ist; eine Referenzelektrode (26), die an einer Seite der Substrate ausgebildet und an einer Seite des zweiten Raums (16) angeordnet ist; und ein erstes Steuerspannungs-Einstellungsmittel (32, Vb) zum Einstellen des Pegels der Steuerspannung (Vp) auf der Grundlage einer Spannung (V) zwischen der Referenzelektrode (26) und der inneren Elektrode (24a) des Gaspumpmittels (22), gekennzeichnet durch ein zweites Steuerspannungs-Einstellungsmittel (44, Ri) zum Detektieren eines durch das Gaspumpmittel (22) fließenden Stroms, wenn die Gaskomponente vom Gaspumpmittel (22) ausgepumpt wird, und zum Einstellen des Pegels der Steuerspannung auf der Grundlage des detektierten Stroms; und ein Spitzenunterdrückungsmittel zum Unterdrücken eines Spitzensignals, das im zweiten Steuerspannungs-Einstellungsmittel (44, Ri) erzeugt wird.
Gassensor nach Anspruch 1, worin das erste Steuerspannungs-Einstellungsmittel (32, Vb) mit einem Vergleichsmittel (32) zur Bestimmung der Abweichung zwischen der Klemmenspannung (V) und einer Vergleichsspannung (Vb) ausgestattet ist, und der Pegel der Steuerspannung (Vp) auf der Grundlage der mithilfe des Vergleichsmittels (32) erhaltenen Abweichung eingestellt wird.
Gassensor nach Anspruch 1, worin das zweite Steuerspannungs-Einstellungsmittel (44, Ri) mit einem Widerstand (Ri) zur Detektion des durch das Gaspumpmittel (22) fließenden Stroms und zur Umwandlung des Stroms in eine Spannung, wenn die Gaskomponente vom Gaspumpmittel (22) ausgepumpt wird, sowie mit einem Verstärker (44) zur Verstärkung der Klemmenspannung des Widerstands (Ri) mit einer vorbestimmten Verstärkung und zum Überlagern der Vergleichsspannung (Vb) mit einer erhaltenen Spannung ausgestattet ist.
Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin das Spitzenunterdrückungsmittel mit einem Kondensator (C) ausgestattet ist, der mit beiden Enden eines Widerstands (Ri) zur Detektion des durch das Gaspumpmittel (22) fließenden Stroms und zur Umwandlung des Stroms in eine Spannung, wenn die Gaskomponente vom Gaspumpmittel (22) ausgepumpt wird, verbunden ist.
Gassensor nach Anspruch 4, umfassend einen Verstärker (44) zur Verstärkung der Klemmenspannung des Widerstands (Ri) um eine vorbestimmte Verstärkung und zum Überlagern der Vergleichsspannung (Vb) mit einer erhaltenen Spannung.
Gassensor nach Anspruch 3, worin das Spitzenunterdrückungsmittel mit einem Kondensator (C) ausgestattet ist, der zwischen den Verstärker (44) zur Verstärkung der Klemmenspannung des Widerstands (Ri) zur Detektion des durch das Gaspumpmittel (22) fließenden Stroms und zur Umwandlung des Stroms in eine Spannung, wenn die Gaskomponente vom Gaspumpmittel (22) ausgepumpt wird, um die vorbestimmte Verstärkung und zum Überlagern der Vergleichsspannung (Vb) mit der erhaltenen Spannung und eine Erzeugungsquelle der Vergleichsspannung andererseits (Vb) geschaltet ist.
Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, worin ein Gasdiffusionsraten-Bestimmungsabschnitt (20) zum Bereitstellen eines vorbestimmten Diffusionswiderstands für das Messgas an einem Durchlass zum Einbringen des Messgases in den ersten Raum (18) bereitgestellt ist.
Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, weiters umfassend: einen dritten Raum (56) zum Einbringen des Messgases aus dem ersten Raum (54) in diesen; einen zweiten Gasdiffusionsraten-Bestimmungsabschnitt (52), der an einem Durchlass zum Einbringen des Messgases in den dritten Raum (56) bereitgestellt ist, um für das Messgas einen vorbestimmten Diffusionswiderstand bereitzustellen; ein im dritten Raum (56) angeordnetes Messgas-Zersetzungsmittel (60a) zum Zersetzen und Abbauen der vorbestimmten Gaskomponente im Messgas; und ein Gaskomponenten-Detektionsmittel (58) zur Detektion der durch das Messgas-Zersetzungsmittel (60a) zersetzten und abgebauten vorbestimmten Gaskomponente.
Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, weiters umfassend: einen dritten Raum (56) zum Einbringen des Messgases aus dem ersten Raum (54) in diesen; einen zweiten Gasdiffusionsraten-Bestimmungsabschnitt (52), der an einem Durchlass zum Einbringen des Messgases in den dritten Raum (56) bereitgestellt ist, um für das Messgas einen vorbestimmten Diffusionswiderstand bereitzustellen; ein Gaskomponenten-Zufuhrmittel {58) zur Zufuhr der vorbestimmten Gaskomponente in den dritten Raum (56); und ein Gaskomponenten-Detektionsmittel (66) zur Detektion der durch das Gaskomponenten-Zufuhrmittel (58) zugeführten Gaskomponente.
Gaskonzentrationsregler, umfassend einen Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9 und einen Gasdiffusionsraten-Bestimmungsabschnitt (20), der an einem Durchlass zum Einbringen des Messgases in den ersten Raum (18) bereitgestellt ist, um für das Messgas einen vorbestimmten Diffusionswiderstand bereitzustellen.