DE69826748T2

DE69826748T2 - Gassensor und Verfahren zur Überwachung des Gassensors

Info

Publication number: DE69826748T2
Application number: DE69826748T
Authority: DE
Inventors: Nobuhide Kanie-cho Kato; Yasuhiko Midori-ku Hamada
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1997-03-04
Filing date: 1998-03-02
Publication date: 2006-03-02
Anticipated expiration: 2018-03-03
Also published as: EP0863399A2; US6010615A; DE69826748D1; EP0863399A3; JP3583890B2; EP0863399B1; JPH10246719A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gassensor zum Messen von Gaskomponenten, wie beispielsweise NO, NO₂, SO₂, CO₂ und N₂O, die beispielsweise in Umgebungsluft und in von Fahrzeugen und Kraftwagen freigesetzten Abgasen enthalten sind. Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Steuerung des Gassensors.
Stand der Technik
Vor kurzem wurde ein wie in 8 gezeigter Gassensor 10A bekannt gemacht, der auf der Verwendung eines Sauerstoffionenleiters basiert (vgl. beispielsweise die offengelegte japanische Patentschrift Nr. 8-271476, die der europäischen Patentanmeldung EP-A-678740 entspricht).
Der Betrieb des Gassensors 10A funktioniert wie folgt: Ein in einem Außenraum bestehendes Messgas wird über ein erstes Diffusionsraten bestimmendes Mittel 12 in einen ersten Hohlraum 14 eingeführt. Ein erstes Sauerstoffpumpenmittel 22, welches eine innere Pumpenelektrode 16, einen Sauerstoffionenleiter 18 und eine äußere Pumpenelektrode 20 umfasst, wird zum Ein- oder Abpumpen von im Messgas im ersten Hohlraum 14 enthaltenem Sauerstoff bis zu einem Grad, bei dem Stickstoffoxid als ein Messziel nicht abgebaut wird, eingesetzt.
In Folge wird das im ersten Hohlraum 14 enthaltene Messgas über ein zweites Diffusionsraten bestimmendes Mittel 24 in einen zweiten Hohlraum 26 eingeführt. Ein zweites Sauerstoffpumpenmittel 36, welches für den zweiten Hohlraum 26 angeordnet ist und eine Messgas abbauende Elektrode 28, ein Sauerstoffionenleiterelement 30 und eine in einem Referenzluftbereich 32 angeordnete Referenzelektrode 34 umfasst, wird zum Abpumpen von Sauerstoff, der aufgrund des Abbaus durch die katalytische Wirkung der Messgas abbauenden Elektrode 28 oder die durch Spannungsanlegung veranlasste Elektrolyse erzeugt wurde, verwendet. Ein Stromwert, der zum Abpumpen von Sauerstoff unter Verwendung des zweiten Sauerstoffpumpenmittels 36 benötigt wird, wird gemessen, um indirekt das Stickstoffoxid zu messen.
Beispiele für die praktische Anwendung des Gassensors 10A sind unter anderem beispielsweise NO_x-Sensoren, H₂O-Sensoren und CO₂-Sensoren zum Messen von Messgasen, die diese mit gebundenem Sauerstoff enthalten.
Wird der herkömmliche Gassensor 10A beispielsweise als NO_x-Sensor eingesetzt, so wird Rh oder Pt als die Messgas abbauende Elektrode 28 verwendet, um NO_x katalytisch abzubauen. Der Sauerstoff, der während des Abbaus erzeugt wird, wird als Pumpstrom detektiert, oder der Sauerstoff wird als Spannungsänderung detektiert.
Wird der herkömmliche Gassensor 10A beispielsweise als H₂O-Sensor oder als CO₂-Sensor eingesetzt, so gestaltet sich die Durchführung eines katalytischen Abbaus schwierig. Deshalb wird eine Spannung, bei der ein jedes der Gase abbaubar ist, an das zweite Pumpenmittel 36 angelegt. Der durch die Elektrolyse, die durch die Spannungsanlegung ausgelöst wird, erzeugte Sauerstoff wird als Pumpstrom detektiert.
Nebenbei erwähnt kann im Falle des oben beschriebenen herkömmlichen Gassensors 10A aus folgenden Gründen eine Erd-Leitung (GND) einer Gleichspannungsquelle 38 zur Steuerung des ersten Sauerstoffpumpenmittels 22 nicht gemeinsam mit der einer Gleichspannungsquelle 40 zur Steuerung des zweiten Sauerstoffpumpenmittels 36 verwendet werden. Der Leckstrom fließt von der äußeren Pumpenelektrode 20 zur Messgas abbauenden Elektrode 28, oder der Leckstrom fließt von der Messgas abbauenden Elektrode 20 zur inneren Pumpenelektrode 16.
Fließt der Strom durch den Sauerstoffionenleiter, so kommt es zu einer Bewegung des Sauerstoffs, aufgrund dessen der Steuerungs-Betrieb instabil werden kann und der Pumpstrom zur Messung gegebenenfalls beeinträchtigt wird. Infolgedessen besteht die Gefahr, dass keine Messung durchgeführt werden kann.
Deshalb benötigt der herkömmliche Gassensor 10A zwei Gleichspannungsquellen, die voneinander isoliert sind, um das erste und das zweite Sauerstoffpumpenmittel 22, 36 zu betreiben.
Weiters wurde ein in 9 gezeigter Gassensor 10B vorgeschlagen. Der Gassensor 10B umfasst ein Hilfspumpenelektrode 42, die im zweiten Hohlraum 26 angeordnet ist, um durch die Hilfspumpenelektrode 42, die Sauerstoffionenleiter (18, 44, 30) und die Referenzelektrode 34 ein drittes Sauerstoffpumpenmittel (d. h. Hilfspumpenmittel) 46 bereitzustellen. Dementsprechend wird der Sauerstoff, der diffundiert, um einen Eintritt in geringen Mengen aus dem ersten Hohlraum 14 zu verursachen, erneut abgepumpt, um die Messgenauigkeit (insbesondere die Abhängigkeit von der Sauerstoffkonzentration) deutlich zu verbessern (offengelegte japanische Patentschrift Nr. 9-113484).
Der zur Illustration vorgeschlagene Gassensor 10B benötigt aufgrund des zusätzlichen Hilfspumpenmittels 46 sogar drei Gleichspannungsquellen, die isoliert und unabhängig voneinander sind. 10 zeigt ein Steuerkreissystem des in 9 gezeigten, zur Illustration vorgeschlagenen Gassensors 10B. In diesem Fall werden drei Gleichspannungsquellen (erste Gleichspannungs-Quelle 50A, zweite Gleichspannungs-Quelle 50B und dritte Gleichspannungs-Quelle 50C), die isoliert und unabhängig voneinander sind, zur Steuerung des ersten, zweiten und dritten Sauerstoffpumpenmittels 22, 36, 46 eingesetzt.
Die erste Gleichspannungsquelle 50A wird als Spannungsquelle für einen Pumpsteuerkreis 52 zur Steuerung des ersten Sauerstoffpumpenmittels 22 eingesetzt. Im Pumpsteuerkreis 52 wird eine elektromotorische Kraft (Urspannung) zwischen einer Messelektrode 54 und der Referenzelektrode 34 von einer ersten Komparatorvorrichtung 56 detektiert. In Folge wird eine Differenz mit Bezug auf eine Zielspannung (beispielsweise 300 mV) durch eine zweite Vergleichsvorrichtung 58 ermittelt, und die Differentialspannung wird von einem Verstärker 60 verstärkt. Die verstärkte Spannung wird als Steuerspannung E₀ zwischen der äußeren Pumpenelektrode 20 und der inneren Pumpenelektrode 16 des ersten Sauerstoffpumpenmittels 22 angelegt. So wird das erste Sauerstoffpumpenmittel 22 gesteuert.
Die zweite Gleichspannungsquelle 50B wird als Spannungsquelle zur Zufuhr einer Spannung E₁ zum Hilfspumpenmittel (das dritte Sauerstoffpumpenmittel) 46 eingesetzt. Spezifisch wird eine konstante Spannung unter Verwendung einer Zenerdiode 62 erzeugt. Danach wird eine an das Hilfspumpenmittel 46 anzulegende Spannung E₁ durch Verwendung eines Spannungsteilerkreises 64 erzeugt, die an das Hilfspumpenmittel 46 angelegt wird.
Die dritte Gleichspannungsquelle 50C wird als Spannungsquelle zur Zufuhr einer Spannung E₂ zum zweiten Sauerstoffpumpenmittel 36 eingesetzt. Die dem zweiten Sauerstoffpumpenmittel 36 zuzuführende Spannung E₂ wird ähnlich dem bei der zweiten Gleichspannungsquelle 50B verwendeten Verfahren gemäß erzeugt, die dann dem zweiten Sauerstoffpumpenmittel 36 zugeführt wird.
Wie in 11 gezeigt wird ist jede der gegenseitig isolierten und voneinander unabhängigen drei Gleichspannungsquellen (hierin in Folge als "isolierte Spannungsquelle" bezeichnet, während eine Spannungsquelle, die keiner isolierten und unabhängigen Anordnung bedarf, hierin in Folge als "nichtisolierte Spannungsquelle" bezeichnet wird) 50A, 50B, 50C grundsätzlich aus einem Schwingkreis 72, einem isolierten Transformator 74 und einer Gleichrichterschaltung 76, die mit stromabwärts gelegenen Stellen einer Batterie 70 (beispielsweise 12 V im Falle einer Autobatterie) verbunden ist, aufgebaut. In einer derartigen Anordnung kann die nichtisolierte Spannungsquelle so konstruiert sein, dass nur Halbleiterbauteile, wie beispielsweise Transistoren und Operationsverstärker, verwendet werden, während die zuvor beschriebene isolierte Spannungsquelle den Transformator 74 benötigt. Deshalb ist es bei der isolierten Spannungsquelle schwierig, das Steuerkreissystem des Gassensors 10A, 10B klein zu halten und das Gewicht dessen zu reduzieren, und es besteht die Gefahr, unangenehm hohe Herstellungskosten zu verursachen.
Ein Gassensor mit den im ersten Teil von Anspruch 1 beschriebenen Merkmalen ist in der EP-A-678740 dargelegt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung wurde unter Berücksichtigung der oben beschriebenen Probleme entwickelt und zielt darauf ab, einen Gassensor und ein Verfahren zur Steuerung dessen bereitzustellen. Durch die Erfindung ist es möglich, eine gemeinsame Referenzleitung für elektrisches Potential (beispielsweise eine geerdete Leitung) für mehrere Gleichspannungsquellen zu verwenden, die Anzahl an isolierten und voneinander unabhängigen Gleichspannungsquellen (isolierten Spannungsquellen) zu minimieren und das Steuerkreissystem des Gassensors kleinst möglich zu gestalten sowie das Gewicht dessen zu verringern.
Der vorliegenden Erfindung gemäß wird ein Gassensor bereitgestellt, wie er in Anspruch 1 dargelegt ist.
In der Erfindung wird bei diesem Aspekt zuerst Sauerstoff, der in dem aus dem Außenraum zugeführten Messgas enthalten ist, durch das Hauptpumpenmittel pump-bearbeitet, und der Sauerstoff wird auf eine vorbestimmte Konzentration eingestellt. Das Messgas, dessen Sauerstoffkonzentration mithilfe des Hauptpumpenmittels auf eine vorbestimmte Konzentration eingestellt wurde, wird im nächsten Schritt in das Detektionspumpenmittel eingeführt. Das Detektionspumpenmittel baut die im Messgas nach der Pump-Bearbeitung durch das Hauptpumpenmittel enthaltene vorbestimmte Gaskomponente mithilfe der katalytischen Wirkung und/oder Elektrolyse zum Pump-Bearbeiten des durch den Abbau erzeugten Sauerstoffs ab. Die vorbestimmte Gaskomponente, die der Menge an Sauerstoff entspricht, wird auf Grundlage des im Detektionspumpenmittel erzeugten Pumpstroms in Abhängigkeit von der Menge an Sauerstoff, die vom Detektionspumpenmittel pump-bearbeitet wurde, gemessen.
Im Besonderen wird der während der Messung der vorbestimmten Gaskomponente vom Detektionspumpenmittel abzupumpende Sauerstoff in die Richtung der Elektrode des Hauptpumpenmittels gepumpt, die eingestellt ist, um das elektrische Basispotential aufzuweisen.
Infolgedessen es nicht nötig, eine isolierte und von anderen Gleichspannungsquellen unabhängige Gleichspannungsquelle bereitzustellen, um das Detektionspumpenmittel zu betreiben. Die Steuerspannung kann mithilfe einer nichtisolierten Spannungsquelle erzeugt werden, die keinen isolierten Transformator benützt. Dies erleichtert die Verkleinerung des Steuerkreissystems des Gassensor und reduziert dessen Gewicht.
In diesem Aspekt wird zum Abpumpen von Sauerstoff mithilfe des Detektionspumpenmittels eine Detektionsspannung zwischen der inneren Detektionspumpenelektrode und der äußeren Detektionspumpenelektrode angelegt, worin eine mit Bezug auf die innere Hauptpumpenelektrode und die äußere Hauptpumpenelektrode des Hauptpumpenmittels negative Spannung angelegt wird.
Deshalb kann die Referenzleitung (Leitung, die auf Basispotential eingestellt ist) gemeinsam für die Spannungsquelle für die Steuerspannung, die zwischen der inneren Hauptpumpenelektrode und der äußeren Hauptpumpenelektrode des Hauptpumpenmittels angelegt werden soll, und für die Spannungsquelle für die Detektionsspannung, die zwischen der inneren Detektionspumpenelektrode und der äußeren Detektionspumpenelektrode des Detektionspumpenmittels angelegt werden soll, verwendet werden.
Dementsprechend wird eine jede der Pumpenelektroden des Hauptpumpenmittels gemeinsam mit der äußeren Pumpenelektrode des Detektionspumpenmittels verwendet. Wird die gemeinsame Elektrode beispielsweise an die geerdete Leitung angeschlossen, so ist es möglich, eine auf der Verwendung von Halbleiterkomponenten basierende nichtisolierte Spannungsquelle zum Antrieb des Detektionspumpenmittels zu verwenden.
Einem weiteren Aspekt der Erfindung gemäß wird ein Gassensor bereitgestellt, wie er in Anspruch 5 dargelegt ist. In diesem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird zuerst Sauerstoff, der in dem aus dem Außenraum zugeführten Messgas enthalten ist, durch das Hauptpumpenmittel pump-bearbeitet, und der Sauerstoff wird auf eine vorbestimmte Konzentration eingestellt. Das Messgas, dessen Sauerstoffkonzentration mithilfe des Hauptpumpenmittels auf eine vorbestimmte Konzentration eingestellt wurde, wird im nächsten Schritt in das Konzentrationsdetektionsmittel eingebracht. Im Konzentrationsdetektionsmittel wird die Urspannung der Sauerstoffkonzentrationszelle zwischen der inneren Detektionselektrode und der äußeren Detektionselektrode erzeugt, die der Differenz zwischen der Sauerstoffmenge, die durch den Abbau der im Messgas enthaltenen vorbestimmten Gaskomponente erzeugt wird, und der Sauerstoffmenge, die im an der Seite der äußeren Detektionselektrode bestehenden Gas enthalten ist, entspricht. Die Urspannung wird vom Spannungsdetektionsmittel gemessen. So wird die der Sauerstoffmenge entsprechende vorbestimmte Gaskomponente gemessen.
Im Speziellen wird in der vorliegenden Erfindung das Messgas, das einer Grobeinstellung mithilfe des Hauptpumpenmittels zur Einstellung der Sauerstoffkonzentration auf eine vorbestimmte Konzentration unterzogen wurde, weiters einer Feineinstellung der Sauerstoffkonzentration mithilfe des Hilfspumpenmittels unterzogen.
Im Allgemeinen gilt, dass bei einer starken Veränderung der Sauerstoffkonzentration im Messgas im Außenraum (beispielsweise von 0 auf 20%) die Sauerstoffkonzentrationsverteilung im in das Hauptpumpenmittel einzuführenden Messgas stark verändert wird, genauso wie die Menge an in den Bearbeitungsraum für das Konzentrationsdetektionsmittel einzuführenden Sauerstoff verändert wird.
Während dieses Verfahrens wird die Sauerstoffkonzentration im Messgas nach der Pump-Bearbeitung durch das Hauptpumpenmittel in Übereinstimmung mit dem Hilfspumpenmittel durchgeführten Pumpvorgang einer Feineinstellung unterzogen. Aufgrund des vom Hauptpumpenmittel durchgeführten Pumpvorgangs ist jedoch die Änderung der Sauerstoffkonzentration im dem dem Hilfspumpenmittel zugeführten Messgas sehr viel geringer als vergleichsweise die Änderung der Sauerstoffkonzentration des aus dem Außenraum zugeführten Messgases (Messgas, das in Hauptpumpenmittel eingebracht wird). Demgemäß ist es möglich, die vom Konzentrationsdetektionsmittel vorgenommene Messung der vorbestimmten Gaskomponente präzise und konstant zu steuern.
Deshalb ist die in das Konzentrationsdetektionsmittel eingebrachte Gaskomponente kaum von der Änderung der Sauerstoffkonzentration im Messgas (Messgas, das in Hauptpumpenmittel eingeführt wird) beeinflusst. Als Folge wird die Urspannung, die im Konzentrationsdetektionsmittel erzeugt wird, von der Änderung der Sauerstoffkonzentration im Messgas nicht beeinflusst, die einen Wert aufweist, der genau der im Messgas bestehenden vorbestimmten Gaskomponente entspricht.
Weiters wird in der vorliegenden Erfindung das Hilfspumpenmittel dazu betrieben, um den im Messgas nach der Pump-Bearbeitung durch das Hauptpumpenmittel enthaltenen Sauerstoff in die Richtung der Elektrode des Hauptpumpenmittels abzupumpen, die eingestellt ist, um das elektrische Basispotential aufzuweisen. Dementsprechend ist es nicht notwendig, eine isolierte und von anderen Gleichspannungsquellen unabhängige Gleichspannungsquelle bereitzustellen, um das Hilfspumpenmittel zu betreiben. Die Detektionsspannung kann mithilfe einer nichtisolierten Spannungsquelle erzeugt werden, die keinen isolierten Transformator benützt. Dies erleichtert die Verkleinerung des Steuerkreissystems des Gassensor und reduziert dessen Gewicht.
In dieser Ausführungsform wird zum Abpumpen des Sauerstoffs mithilfe des Hilfspumpenmittels eine Hilfsspannung zwischen der inneren Hilfspumpenelektrode und der äußeren Hilfspumpenelektrode angelegt, worin eine mit Bezug auf die innere Hauptpumpenelektrode und die äußere Hauptpumpenelektrode des Hauptpumpenmittels negative Spannung angelegt wird.
Deshalb kann die Referenzleitung (Leitung, die auf Basispotential eingestellt ist) gemeinsam für die Spannungsquelle für die Steuerspannung, die zwischen der inneren Hauptpumpenelektrode und der äußeren Hauptpumpenelektrode des Hauptpumpenmittels angelegt werden soll, und für die Spannungsquelle für die Hilfsspannung, die zwischen der inneren Hilfspumpenelektrode und der äußeren Hilfspumpenelektrode des Hilfspumpenmittels angelegt werden soll, verwendet werden.
Dementsprechend wird eine jede der Pumpenelektroden des Hauptpumpenmittels gemeinsam mit der äußeren Hilfspumpenelektrode des Hilfspumpenmittels verwendet. Wird die gemeinsame Elektrode beispielsweise an die geerdete Leitung angeschlossen, so ist es möglich, eine auf der Verwendung von Halbleiterkomponenten basierende nichtisolierte Spannungsquelle zur Ansteuerung des Hilfspumpenmittels zu verwenden.
Vorzugsweise umfasst der wie zuvor beschrieben konstruierte Gassensor weiters ein Hauptpumpen-Konzentrationsmessmittel zur Erzeugung einer Urspannung, die einer Differenz zwischen einer in einem Referenzgas enthaltenen Sauerstoffmenge und einer im Messgas während des vom Hauptpumpenmittel durchgeführten Pumpvorgangs enthaltenen Sauerstoffmenge entspricht; und ein Hauptpumpen-Steuermittel zum Steuern des vom Hauptpumpenmittel durchgeführten Pumpvorgangs durch Anpassen des Pegels einer zwischen der inneren Hauptpumpenelektrode und der äußeren Hauptpumpenelektrode angelegten Steuerspannung auf der Grundlage der Urspannung.
Dieser Ausführungsform gemäß wird das Hauptpumpen-Konzentrationsmessmittel in Betrieb genommen, um die der Differenz zwischen der im Referenzgas enthaltenen Sauerstoffmenge und der im Messgas während des vom Hauptpumpenmittel durchgeführten Pumpvorgangs enthaltenen Sauerstoffmenge entsprechende Urspannung zu erzeugen. Weiters wird das Hauptpumpensteuermittel in Betrieb genommen, um den Pegel der Steuerspannung, die zwischen der inneren Hauptpumpenelektrode und der äußeren Hauptpumpenelektrode des Hauptpumpenmittels angelegt wird, auf der Grundlage der Urspannung zu steuern.
Das Hauptpumpenmittel dient dem Pump-Bearbeiten von Sauerstoff, der im aus dem Außenraum zugeführten Messgas enthalten ist, in einer Menge, die dem Pegel der Steuerspannung entspricht. Die Sauerstoffkonzentration im Messgas wird einer Regelung unterzogen, um in Übereinstimmung mit der Zufuhr der Pegel-angepassten Steuerspannung zum Hauptpumpenmittel ein vorbestimmtes Niveau zu erreichen. Während dieses Vorgangs wird beispielsweise der Partialdruck von Sauerstoff in der Bearbeitungsumgebung für das Hauptpumpenmittel gesteuert, sodass dieser einen vorbestimmten Wert aufweist, bei dem die vorbestimmte Gaskomponente nicht abbaubar ist.
Vorzugsweise umfasst der wie oben beschrieben aufgebaute Gassensor zudem ein Detektions-Konzentrationsmessmittel zur Erzeugung einer Urspannung, die der Differenz zwischen der im Referenzgas enthaltenen Sauerstoffmenge und der während das Abbaus der im Messgas nach dem Pump-Bearbeiten durch das Hauptpumpenmittel enthaltenen vorbestimmten Gaskomponente erzeugten Sauerstoffmenge entspricht; und ein Detektionspumpen-Steuermittel zur Steuerung des vom Detektionspumpenmittels durchgeführten Pumpvorgangs durch Anpassen des Pegels einer Detektionsspannung, die zwischen der inneren Detektionspumpenelektrode und der äußeren Detektionspumpenelektrode des Detektionspumpenmittels angelegt wird, auf der Grundlage der Urspannung zu steuern.
Dieser Ausführungsform gemäß wird das Detektions-Konzentrationsmessmittel betrieben, um die der Differenz zwischen der im Referenzgas enthaltenen Sauerstoffmenge und der im Messgas nach dem Pump-Bearbeiten durch das Hauptpumpenmittels enthaltenen Sauerstoffmenge, die während des Abbaus der vorbestimmten Gaskomponente erzeugt wurde, entsprechende Urspannung zu erzeugen.
Weiters wird das Detektionspumpensteuermittel betrieben, um den Pegel der Detektionsspannung, die zwischen der inneren Detektionspumpenelektrode und der äußeren Detektionspumpenelektrode des Detektionspumpenmittels angelegt wird, auf der Grundlage der Urspannung zu steuern.
Das Detektionspumpenmittel baut die im Messgas nach der Pump-Bearbeitung durch das Hauptpumpenmittel enthaltene vorbestimmte Gaskomponente mithilfe einer katalytischen Wirkung und/oder Elektrolyse ab, und der durch den Abbau erzeugte Sauerstoff wird pump-bearbeitet, worin eine Rückkopplungssteuerung durchgeführt wird, um in Übereinstimmung mit der Zufuhr der Pegel-angepassten Detektionsspannung zum Detektionspumpenmittel einen vorbestimmten Wert zu ergeben, bei dem die vorbestimmte Gaskomponente im Messgas abbaubar ist.
Vorzugsweise umfasst der so wie oben beschrieben aufgebaute Gassensor weiters ein Hilfspumpenmittel, welches den Festelektrolyten sowie eine innere Hilfspumpenelektrode und eine äußere Hilfspumpenelektrode umfasst, die in Kontakt zum Festelektrolyten stehen ausgebildet ist, zum Abpumpen von im Messgas nach dem Pump-Bearbeiten durch das Hauptpumpenmittel enthaltenem Sauerstoff in die Richtung des Hauptpumpenmittels.
Dieser Ausführungsform gemäß umfasst der Gassensor das Detektionspumpenmittel und das Hilfspumpenmittel. Das Messgas, welches das einer Grobeinstellung mithilfe des Hauptpumpenmittels zur Einstellung der Sauerstoffkonzentration auf eine vorbestimmte Konzentration unterzogen wurde, wird weiters einer Feineinstellung der Sauerstoffkonzentration mithilfe des Hilfspumpenmittels unterzogen.
Deshalb wird die in das Konzentrationsdetektionsmittel eingebrachte Gaskomponente kaum von der Änderung der Sauerstoffkonzentration im Messgas (Messgas, das in Hauptpumpenmittel eingeführt wird) beeinflusst. Als Folge wird der Pumpstrom, der durch das Detektionspumpenmittel fließt, von der Änderung der Sauerstoffkonzentration im Messgas nicht beeinflusst, der einen Wert aufweist, der genau der im Messgas bestehenden vorbestimmten Gaskomponente entspricht.
Vorzugsweise umfasst der wie oben beschrieben aufgebaute Gassensor zudem ein Hilfskonzentrationsmessmittel zur Erzeugung einer Urspannung, die der Differenz zwischen der im Referenzgas enthaltenen Sauerstoffmenge und der im Messgas nach der Pump-Bearbeitung durch das Hauptpumpenmittel enthaltenen Sauerstoffmenge entspricht; und ein Hilfspumpensteuermittel zur Steuerung des vom Hilfspumpenmittel durchgeführten Pumpvorgangs durch Anpassen des Pegels einer Hilfspumpspannung, die zwischen der inneren Hilfspumpenelektrode und der äußeren Hilfspumpenelektrode angelegt wird, auf der Grundlage der Urspannung.
Dieser Ausführungsform gemäß wird das Hilfskonzentrationsmessmittel betrieben, um die der Differenz zwischen der im Referenzgas enthaltenen Sauerstoffmenge und der im Messgas nach der Pump-Bearbeitung durch das Hauptpumpenmittel enthaltenen Sauerstoffmenge entsprechende Urspannung zu erzeugen. Weiters wird das Hilfskonzentrationsmessmittel betrieben, um den Pegel der zwischen der inneren Hilfspumpenelektrode und der äußeren Hilfspumpenelektrode angelegten Hilfspumpspannung auf der Grundlage der Urspannung einzustellen.
Das Hilfspumpenmittel pump-bearbeitet im Messgas nach der Pump-Bearbeitung durch das Hauptpumpenmittel enthaltenen Sauerstoff, in einer dem Pegel der Hilfspumpspannung entsprechenden Menge. Die Sauerstoffkonzentration im Messgas wird einer Rückkopplungsregelung unterzogen, um in Übereinstimmung mit der Zufuhr der Pegel-angepassten Hilfspumpspannung zum Hilfspumpenmittel ein vorbestimmtes Niveau zu erreichen.
Im wie oben beschrieben aufgebauten Gassensor ist es wünschenswert, dass die äußere Hilfspumpenelektrode des Hilfspumpenmittels gemeinsam mit der Elektrode des Hauptpumpenmittels verwendet wird, die eingestellt ist, um das elektrische Basispotential aufzuweisen.
In dieser Ausführungsform wird zum Abpumpen des Sauerstoffs mithilfe des Hilfspumpenmittels eine Hilfsspannung zwischen der inneren Hilfspumpenelektrode und der äußeren Hilfspumpenelektrode angelegt, worin eine mit Bezug auf die innere Hauptpumpenelektrode und die äußere Hauptpumpenelektrode des Hauptpumpenmittels negative Spannung angelegt wird.
Deshalb kann die Referenzleitung (Leitung, die auf Basispotential eingestellt ist) gemeinsam für die Spannungsquelle für die Steuerspannung, die zwischen der inneren Hauptpumpenelektrode und der äußeren Hauptpumpenelektrode des Hauptpumpenmittels angelegt werden soll, und für die Spannungsquelle für die Hilfsspannung, die zwischen der inneren Hilfspumpenelektrode und der äußeren Hilfspumpenelektrode des Hilfspumpenmittels angelegt werden soll, verwendet werden.
Einem anderen Aspekt der Erfindung gemäß wird ein Verfahren zur Steuerung eines Gassensor bereitgestellt, so wie in Anspruch 8 dargelegt.
In der vorliegenden Erfindung wird in diesem Verfahrensaspekt das Detektionspumpenmittel zum Abbau der vorbestimmten Gaskomponente, die im Messgas nach dem Pump-Bearbeiten durch das Hauptpumpenmittel enthalten ist, in Übereinstimmung mit der katalytischen Wirkung und/oder Elektrolyse verwendet. Der während des Abbaus entstehende Sauerstoff wird pump-bearbeitet, und der so erzeugte Pumpstrom wird detektiert. So wird die der Sauerstoffmenge entsprechende vorbestimmte Gaskomponente gemessen.
Im Besonderen wird beim Verfahren zur Steuerung des Gassensors gemäß der vorliegenden Erfindung der während der Messung der vorbestimmten Gaskomponente vom Detektionspumpenmittel abzupumpende Sauerstoff in die Richtung der Elektrode des Hauptpumpenmittels gepumpt, die eingestellt ist, um das elektrische Basispotential aufzuweisen. Infolgedessen es nicht nötig, eine isolierte und von anderen Gleichspannungsquellen unabhängige Gleichspannungsquelle bereitzustellen, um das Detektionspumpenmittel zu betreiben. Die Steuerspannung kann deshalb mithilfe einer nichtisolierten Spannungsquelle erzeugt werden, die keinen isolierten Transformator benützt. Dies erleichtert folglich die Verkleinerung des Steuerkreissystems des Gassensor und Verringerung des Gewichts desselben.
Vorzugsweise umfasst das oben beschriebene Verfahren weiters den Schritt des Messens der Urspannung, die der Differenz zwischen der im Referenzgas enthaltenen Sauerstoffmenge und der während des Abbaus der vorbestimmten Gaskomponente, die nach der Pump-Bearbeitung durch das Hauptpumpenmittel im Messgas enthalten ist, erzeugten Sauerstoffmenge entspricht, unter Verwendung eines Detektions-Konzentrationsmessmittels; und des Anpassens des vom Detektionspumpenmittel durchgeführten Pumpvorgangs auf der Grundlage der vom Detektions-Konzentrationsmessmittel gemessenen Urspannung.
Vorzugsweise umfasst das oben beschriebene Verfahren weiters den Schritt des Abpumpens von Sauerstoff, der im Messgas nach der Pump-Bearbeitung durch das Hauptpumpenmittel enthalten ist, in die Richtung des Bearbeitungsraums für das Hauptpumpenmittel durch die Verwendung eines Hilfspumpenmittels.
Einem weiteren Aspekt der Erfindung gemäß wird ein Verfahren zur Steuerung eines Gassensors bereitgestellt, so wie in Anspruch 13 dargelegt.
In der vorliegenden Erfindung wird in diesem zweiten Verfahrensaspekt die Urspannung der Sauerstoffkonzentrationszelle zwischen einer inneren Detektionselektrode und einer äußeren Detektionselektrode des Konzentrations-Detektionsmittel erzeugt, die der Differenz zwischen der im an der Seite der äußeren Detektionselektrode gegenwärtigen Gas enthaltenen Sauerstoffmenge und der durch den Abbau der vorbestimmten Gaskomponente entstandenen Sauerstoffmenge, die im Messgas enthalten ist, entspricht. Die Urspannung wird dann von einem Spannungsdetektionsmittel detektiert. So wird die der Sauerstoffmenge entsprechende vorbestimmte Gaskomponente gemessen.
Während der Messung der vorbestimmten Gaskomponente wird das Messgas, welches einer Grobeinstellung mithilfe des Hauptpumpenmittels zur Einstellung der Sauerstoffkonzentration auf eine vorbestimmte Konzentration unterzogen wurde, weiters einer Feineinstellung der Sauerstoffkonzentration mithilfe des Hilfspumpenmittels unterzogen. Deshalb wird die in das Konzentrationsdetektionsmittel eingeführte Gaskomponente kaum von der Änderung der Sauerstoffkonzentration im Messgas (Messgas, das in Hauptpumpenmittel eingeführt wird) beeinflusst. Als Folge wird die im Konzentrations-Detektionsmittel erzeugte Urspannung von der Änderung der Sauerstoffkonzentration im Messgas nicht beeinflusst, die einen Wert aufweist, der genau der im Messgas gegenwärtigen vorbestimmten Gaskomponente entspricht.
Weiters wird in der vorliegenden Erfindung der im Messgas nach der Pump-Bearbeitung durch das Hauptpumpenmittel enthaltene Sauerstoff mithilfe des Hilfspumpenmittels in die Richtung der Elektrode des Hauptpumpenmittels abgepumpt, die eingestellt ist, um das elektrische Basispotential aufzuweisen. Dementsprechend ist es nicht notwendig, eine isolierte und von anderen Gleichspannungsquellen unabhängige Gleichspannungsquelle bereitzustellen, um das Hilfspumpenmittel zu betreiben. Die Steuerspannung kann mithilfe einer nichtisolierten Spannungsquelle erzeugt werden, die keinen isolierten Transformator benützt. Dies erleichtert die Verkleinerung des Steuerkreissystems des Gassensor und die Verringerung des Gewichts desselben.
Vorzugsweise umfasst das oben beschriebene Verfahren weiters den Schritt des Messens der Urspannung, die der Differenz zwischen der im Referenzgas enthaltenen Sauerstoffmenge und der nach der Pump-Bearbeitung durch das Hauptpumpenmittel im Messgas enthaltenen Sauerstoffmenge entspricht, unter Verwendung eines Hilfskonzentrationsmessmittels; und des Anpassens des vom Hilfspumpenmittel durchgeführten Pumpvorgangs auf der Grundlage der vom Hilfskonzentrationsmessmittel gemessenen Urspannung.
Vorzugsweise umfasst das oben beschriebene Verfahren weiters den Schritt des Messens der Urspannung, die der Differenz zwischen der im Referenzgas enthaltenen Sauerstoffmenge und der während des vom Hauptpumpenmittel durchgeführten Pumpvorgangs im Messgas enthaltenen Sauerstoffmenge entspricht, unter Verwendung eines Hauptpumpen-Konzentrationsmessmittels; und des Anpassens des vom Hauptpumpenmittel durchgeführten Pumpvorgangs auf der Grundlage der vom Hauptpumpen-Konzentrationsmessmittel gemessenen Urspannung.
Die obgenannten und zusätzlichen Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung treten durch die folgende Beschreibung deutlicher zutage, wenn diese gemeinsam mit den beiliegenden Zeichnungen gelesen wird, die als veranschaulichendes Beispiel eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen.
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Draufsicht, die einen Gassensor gemäß einer ersten Ausführungsform zeigt.
2 ist eine Querschnittsansicht (Querschnittsansicht entlang der Linie A-A aus 1), die den Gassensor gemäß der ersten Ausführungsform zeigt.
3 ist ein Schaltbild, welches ein Steuerkreissystem für die erste Ausführungsform zeigt.
4 ist eine Querschnittsansicht, die eine modifizierte Ausführungsform des Gassensors gemäß der ersten Ausführungsform zeigt.
5 ist eine Querschnittsansicht, die einen Gassensor gemäß einer zweiten Ausführungsform zeigt.
6 ist ein Schaltbild, welches ein Steuerkreissystem für die zweite Ausführungsform zeigt.
7 ist eine Querschnittsansicht, die einen Gassensor gemäß einer dritten Ausführungsform zeigt.
8 ist eine Querschnittsansicht, die einen Gassensor eines der Veranschaulichung dienenden herkömmlichen Beispiels zeigt.
9 ist eine Querschnittsansicht, die einen Gassensor eines der Veranschaulichung dienenden vorgeschlagenen Beispiels zeigt.
10 ist ein Schaltbild, welches ein Steuerkreissystem für das der Veranschaulichung dienende vorgeschlagene Beispiel zeigt.
11 ist ein Schaltbild, das ein Beispiel für gegenseitig isolierte und unabhängige Gleichspannungsquellen veranschaulicht.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Die nachstehende Beschreibung für mehrere der Veranschaulichung dienende Beispiele wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 7 ausgeführt, in denen der Gassensor und das Verfahren zur Steuerung des Gassensors gemäß der vorliegenden Erfindung auf Gassensoren zum Messen von Gaskomponenten, wie beispielsweise NO, NO₂, SO₂, CO₂ und H₂O, die beispielsweise in Umgebungsluft und in von Fahrzeugen und Kraftwagen freigesetzten Abgasen enthalten sind.
Wie in den 1 und 2 zu sehen ist, ist ein Gassensor 100A gemäß einer ersten Ausführungsform im Allgemeinen so konstruiert, dass er die Form einer länglichen Platte aufweist, die beispielsweise sechs übereinander geschichtete Festelektrolytenschichten 102a bis 102f umfasst, die aus auf der Verwendung von sauerstoffionenleitenden Festelektrolyten, wie beispielsweise ZrO₂, basierendem Keramikmaterial bestehen. Zunächst werden die erste und die zweite Schicht von unten als erste und zweite Substratschicht 102a bzw. 102b bezeichnet. Der dritten und der fünften Schicht von unten wird die Bezeichnung erste und zweite Abstandsschicht 102c bzw. 102e gegeben. Die vierte und sechste Schicht von unten werden als erste und zweite Festelektrolytenschicht 102d bzw. 102f bezeichnet.
Spezifisch liegt die erste Abstandsschicht 102c auf der zweiten Substratschicht 102b. Die erste Festelektrolytenschicht 102d, die zweite Abstandsschicht 102e und die zweite Festelektrolytenschicht 102f sind nacheinander auf der ersten Abstandsschicht 102c geschichtet.
Ein Raum (Raum für das einzuführende Referenzgas) 104, in den ein Referenzgas, wie beispielsweise Umgebungsluft, eingeführt wird, um als Referenz für die Messung der Oxide zu dienen, ist zwischen der zweiten Substratschicht 102b und der ersten Festelektrolytenschicht 102d ausgebildet, wobei der Raum 104 durch eine untere Oberfläche der ersten Festelektrolytenschicht 102d und einer oberen Oberfläche der zweiten Substratschicht 102b und den Seitenoberflächen der ersten Abstandsschicht 102c abgegrenzt ist.
Die zweite Abstandsschicht 102e ist zwischen der ersten und der zweiten Festelektrolytenschicht 102d, 102f eingeschoben. Ein erster und ein zweiter Diffusionsratenbestimmungsbereich 106, 108 liegen ebenfalls zwischen der ersten und der zweiten Festelektrolytenschicht 102d, 102f.
Eine erste Kammer 110 zur Anpassung des Partialdrucks von Sauerstoff in einem Messgas ist durch eine untere Oberfläche der zweiten Festelektrolytenschicht 102f, den Seitenflächen des ersten und des zweiten Diffusionsratenbestimmungsbereichs 106, 108 und einer oberen Oberfläche der ersten Festelektrolytenschicht 102d ausgebildet und abgegrenzt. Eine zweite Kammer 112 zur Feineinstellung des Partialdrucks von Sauerstoff im Messgas und zur Messung der Oxide, beispielsweise Stickstoffoxide (NO_x), im Messgas ist durch eine untere Oberfläche der zweiten Festelektrolytenschicht 102f, einer Seitenfläche des zweiten Diffusionsratenbestimmungsbereichs 108, einer Seitenfläche der zweiten Abstandsschicht 102e und einer oberen Oberfläche der ersten Festelektrolytenschicht 102d ausgebildet und abgegrenzt.
Der Außenraum kommuniziert mit der ersten Kammer 110 über den ersten Diffusionsratenbestimmungsbereich 106, und die erste Kammer 110 kommuniziert mit der zweiten Kammer 112 über den zweiten Diffusionsratenbestimmungsbereich 108.
Der erste und der zweite Diffusionsratenbestimmungsbereich 106, 108 verleihen dem in die erste bzw. in die zweite Kammer 110, 112 einzuführenden Messgas einen vorbestimmten Diffusionswiderstand. Beide Diffusionsratenbestimmungsbereiche 106 und 108 können jeweils als ein Durchlass, der beispielsweise aus einem porösen Material (beispielsweise ein poröser Pressling aus ZrO₂ oder dergleichen) besteht, oder als kleines Loch mit einer vorbestimmten Querschnittsfläche ausgebildet sein, sodass Messgas eingeführt werden kann. Alternativ dazu können der erste und die zweite Diffusionsratenbestimmungsbereich 106, 108 aus einer Spaltschicht oder einer durch Drucktechnik erzeugten porösen Schicht aufgebaut sein. In dieser Ausführungsform ist die Vergleichsgröße zwischen dem jeweiligen Diffusionswiderstand des ersten und des zweiten Diffusionsratenbestimmungsbereichs 106, 108 nicht von Bedeutung. Es wird jedoch bevorzugt, dass der Diffusionswiderstand des zweiten Diffusionsratenbestimmungsbereichs 108 größer ist als der des ersten Diffusionsratenbestimmungsbereichs 106.
Die in der ersten Kammer 110 bestehende Gasatmosphäre wird mit dem vorbestimmten Diffusionswiderstand über den zweiten Diffusionsratenbestimmungsbereich 108 in die zweite Kammer 112 eingeführt.
Eine innere Pumpenelektrode 114 mit einer im Wesentlichen rechteckigen, planaren Konfiguration, die aus einer porösen Cermetelektrode besteht, ist am gesamten unteren Oberflächenabschnitt für die Bildung der ersten Kammer 110 der unteren Oberfläche der zweiten Festelektrolytenschicht 102f ausgebildet. Eine äußere Pumpenelektrode 116 ist auf einem der inneren Pumpenelektrode 114 entsprechenden Abschnitt der oberen Oberfläche der zweiten Festelektrolytenschicht 102f ausgebildet. Eine elektrochemische Pumpzelle, d. h. eine Hauptpumpzelle 118, ist aus der inneren Pumpenelektrode 114, der äußeren Pumpenelektrode 116 und der zwischen den Elektroden 114 und 116 eingeschobenen zweiten Festelektrolytenschicht 102f aufgebaut.
Eine gewünschte Steuerspannung (Pumpspannung) Vp1 wird zwischen der inneren Pumpenelektrode 114 und der äußeren Pumpenelektrode 116 der Hauptpumpzelle 118 mithilfe einer externen variablen Spannungsquelle 120 angelegt, um das Fließen eines Pumpstroms Ip1 in eine positive Richtung oder in eine negative Richtung zwischen der äußeren Pumpenelektrode 116 und inneren Pumpenelektrode 114 zu ermöglichen. So kann der Sauerstoff in der Atmosphäre der ersten Kammer 110 in den Außenraum abgepumpt werden, oder der Sauerstoff im Außenraum kann in die erste Kammer 110 gepumpt werden.
Eine Messelektrode 122 mit einer im Wesentlichen rechteckigen, planaren Konfiguration, die aus einer porösen Cermetelektrode besteht, ist in der Nähe des zweiten Diffusionsratenbestimmungsbereichs 108 auf einem oberen Oberflächenabschnitt zur Bildung der ersten Kammer 110 der oberen Oberfläche der ersten Festelektrolytenschicht 102d ausgebildet. Eine Referenzelektrode 124 ist auf einem unteren Oberflächenabschnitt, der dem Raum zur Einführung von Referenzgas 104 ausgesetzt ist, der unteren Oberfläche der ersten Festelektrolytenschicht 102d ausgebildet. Eine elektrochemische Sensorzelle, d. h. eine Sauerstoffpartialdrucksteuerungs-Messzelle 126, besteht aus der Messelektrode 122, der Referenzelektrode 124 und der Oberfläche der ersten Festelektrolytenschicht 102d.
Die Sauerstoffpartialdrucksteuerungs-Messzelle 126 arbeitet wie folgt. Eine Urspannung wird, auf der Grundlage der Sauerstoffkonzentrationsdifferenz zwischen der Meßelektrode 122 und der Referenzelektrode 124 auf Basis der Differenz in der Sauerstoffkonzentration zwischen der Atmosphäre in der ersten Kammer 110 und dem Referenzgas (Umgebungsluft) im Raum 104 zur Einbringung von Referenzgas 124 erzeugt. Der Partialdruck des Sauerstoffs in der Atmosphäre in der ersten Kammer 110 kann durch Messen der Urspannung mithilfe eines Voltmeters 128 detektiert werden.
Die zwischen Referenzelektrode 124 und der Messelektrode 122 erzeugte Spannung V0 ist eine Urspannung der Sauerstoffkonzentrationszelle, die auf der Grundlage des Unterschieds zwischen dem Partialdruck des Sauerstoffs im Referenzgas, welches in den Referenzgasraum 104 eingeführt wird, und dem Partialdruck des Sauerstoffs im Messgas in der ersten Kammer 110 erzeugt wird. Die Spannung V0 weist folgende Beziehungen auf, die als die Nernst-Gleichung bekannt ist: V0 = RT/4F·In(P1(O2)/(P0(O2))R: Gaskonstante;
T: absolute Temperatur;
F: Faradaysche Konstante;
P1(O₂): Sauerstoffpartialdruck in der ersten Kammer 110;
P0(O₂): Sauerstoffpartialdruck im Referenzgas.
Deshalb kann der Sauerstoffpartialdruck in der ersten Kammer 110 durch Messen der erzeugten Spannung V0 mit dem Voltmeter 128 auf der Grundlage der Nernst-Gleichung detektiert werden.
Der detektierte Wert des Sauerstoffpartialdrucks wird zur Steuerung der Pumpspannung Vp1 der variablen Spannungsquelle 120 mithilfe eines Regelungssystems 130 eingesetzt. Spezifisch wird der von der Hauptpumpzelle 118 durchgeführte Pumpvorgang so gesteuert, dass der Sauerstoffpartialdruck in der Atmosphäre der ersten Kammer 110 einen vorbestimmten Wert erreicht, der ausreichend niedrig ist, um im nächsten Schritt den Sauerstoffpartialdruck in der zweiten Kammer 112 zu regeln.
Sowohl die innere Pumpenelektrode 114 und die äußere Pumpenelektrode 116 der Hauptpumpzelle 118 als auch die Messelektrode 122 der Messzelle 126 zur Steuerung des Sauerstoffpartialdrucks besteht aus einem inerten Material mit niedriger katalytischer Wirkung auf NO_x, wie beispielsweise im dem Gassensor 100A zugeführten Messgas enthaltenes NO. Im Speziellen bestehen die innere Pumpenelektrode 114 und die Messelektrode 122 gegebenenfalls aus einer porösen Cermetelektrode. In dieser Ausführungsform ist die Elektrode aus einem Metall, wie beispielsweise Pt, und einem Keramikmaterial, beispielsweise ZrO₂, aufgebaut. Es ist notwendig, ein Material zu verwenden, das in Bezug auf die NO-Komponente gar keine oder nur schwache Reduktionsfähigkeiten besitzt, da die innere Pumpenelektrode 114 und die Messelektrode 122 in der ersten Kammer 110 und somit im Kontakt zum Messgas stehend angeordnet sind. Es wird bevorzugt, dass die Pumpenelektrode 114 und die Messelektrode 122 beispielsweise aus einer Verbindung mit Perovskitstruktur, wie beispielsweise La₃CuO₄, einem Cermetmaterial, welches ein Keramikmaterial und ein Metall, wie beispielsweise Au mit niedriger katalytischer Wirkung umfasst, oder einem Cermetmaterial, welches ein Keramikmaterial, ein Metall der Pt-Gruppe und ein Metall, wie beispielsweise Au mit niedriger katalytischer Wirkung umfasst, bestehen. Wird eine aus Au und einem Metall der Pt-Gruppe bestehende Legierung als Elektrodenmaterial eingesetzt, so wird vorzugsweise Au in einer Menge von 0,03 bis 35 Vol.-%, bezogen auf die gesamte Metallkomponente, zugesetzt.
Eine Detektionselektrode 132 mit einer im Wesentlichen rechteckigen, planaren Konfiguration, die aus einer porösen Cermetelektrode besteht, ist auf einem oberen Oberflächenabschnitt zur Bildung der zweiten Kammer 112 der oberen Oberfläche der ersten Festelektrolytenschicht 102d ausgebildet. Eine elektrochemische Pumpzelle, d. h. eine Detektionspumpzelle 134, ist aus der inneren Pumpenelektrode 114 der Hauptpumpzelle 118, der ersten Festelektrolytenschicht 102d, der zweiten Abstandsschicht 102e und der zweiten Festelektrolytenschicht 102f aufgebaut.
Die Detektionselektrode 132 besteht aus einem porösen Cermetmaterial, welches Rh als das zur Reduktion von NO_x als die Messgaskomponente fähige Metall und Zirconiumdioxid als das Keramikmaterial umfasst. Dementsprechend agiert die Detektionselektrode 132 als ein NO_x reduzierender Katalysator zur Reduktion von in der Atmosphäre der zweiten Kammer 112 gegenwärtigem NO_x. Wird nun mithilfe einer variablen Spannungsquelle 136 eine Detektionsspannung Vp2 zwischen der Detektionselektrode 132 und der inneren Pumpenelektrode 114 angelegt, so kann der in der Atmosphäre der zweiten Kammer 112 enthaltene Sauerstoff in die erste Kammer 110 gepumpt werden. Der Pumpstrom Ip2, der in Übereinstimmung mit dem Pumpvorgang der Detektionspumpzelle 134 fließt, wird von einem Amperemeter 138 gemessen.
Im Gassensor 100A gemäß der ersten Ausführungsform ist eine elektrochemische Sensorzelle, d. h. eine Sauerstoffpartialdruck-Detektionssteuerungs-Messzelle 140 durch die Detektionselektrode 132, die Referenzelektrode 124 und die erste Festelektrolytenschicht 102 ausgebildet. Die Sauerstoffpartialdruck-Detektionssteuerungs-Messzelle 14 wird wie folgt auf dieselbe Weise wie die Sauerstoffpartialdrucksteuerungs-Messzelle 126 betrieben. Das heißt, dass eine Urspannung V1 zwischen der Detektionselektrode 132 und der Referenzelektrode 124 auf der Grundlage der Sauerstoffkonzentrationsdifferenz zwischen der Atmosphäre in der zweiten Kammer 112 und dem Referenzgas (Umgebungsluft) im Raum 104 zur Einführung von Referenzgas erzeugt wird. Der Wert für den Partialdruck des Sauerstoffs in der Atmosphäre in der zweiten Kammer 112 kann durch Messen der Urspannung V1 mithilfe eines Voltmeters 142 detektiert werden.
Der detektierte Wert des Sauerstoffpartialdrucks wird zur Steuerung der Detektionsspannung Vp2 der variablen Spannungsquelle 136 mithilfe eines Rückkopplungs-Regelungssystems 114 herangezogen. Spezifisch wird die Detektionsspannung Vp2 auf einen Spannungswert eingestellt, bei dem der durch den NO_x-Abbau durch die Detektionselektrode 132 erzeugte Sauerstoff ausreichend nach aus der zweiten Kammer 112 heraus gepumpt werden kann.
In dieser Ausführungsform ist die Änderung der in die zweite Kammer 112 eingeführten Menge an Sauerstoff im Vergleich zur Änderung der Sauerstoffmenge im Messgas deutlich reduziert, und zwar aufgrund der Arbeit der Hauptpumpzelle 118 für die erste Kammer 110. Dementsprechend wird der Sauerstoffpartialdruck in der zweiten Kammer 112 genau und konstant gesteuert.
Der Gassensor 100A gemäß der ersten Ausführungsform umfasst zudem eine Heizvorrichtung 146 zur Erzeugung von Wärme in Übereinstimmung mit der von außen kommenden elektrischen Stromversorgung. Die Heizvorrichtung 146 ist eingebettet, und zwar ist sie vertikal zwischen der ersten und der zweiten Substratschicht 102a, 102b eingeschoben. Die Heizvorrichtung 146 ist bereitgestellt, um die Leitfähigkeit der Sauerstoffionen zu erhöhen. Eine Isolierschicht 148, die aus Aluminiumoxid oder dergleichen besteht, ist zur Abdeckung der oberen und unteren Oberfläche der Heizvorrichtung 146 ausgebildet, sodass die Heizvorrichtung 146 von den Substratschichten 102a, 102b elektrisch isoliert ist.
Wie in 2 gezeigt ist, ist die Heizvorrichtung 146 über den gesamten Abschnitt hinweg angeordnet, der von der ersten Kammer 110 bis zur zweiten Kammer 112 reicht. Dementsprechend wird sowohl die erste Kammer 110 als auch die zweite Kammer 112 auf eine vorbestimmte Temperatur erwärmt. Gleichzeitig werden auch die Hauptpumpzelle 118, die Sauerstoffpartialdrucksteuerungs-Messzelle 126 und die Detektionspumpzelle 134 auf eine vorbestimmte Temperatur erwärmt und bei dieser Temperatur gehalten.
Der Gassensor 100A gemäß der ersten Ausführungsform ist im Wesentlichen so wie oben beschrieben aufgebaut. Nun wird seine Arbeitsweise und Wirkung beschrieben.
Vor der Messung von Stickstoffoxid wird der Gassensor 100A der ersten Ausführungsform in einen Zustand versetzt, in dem Messgas in die erste Kammer 110 eingeführt werden kann. In Folge wird elektrischer Strom an die Heizvorrichtung 146 angelegt, beispielsweise um die erste und die zweite Festelektrolytenschicht 102d, 102f der ersten Kammer 110 des Gassensors 100A auf 700°C bis 900° zu erwärmen. Die erste und die zweite Festelektrolytenschicht 102d, 102f werden durch Erwärmen des Gassensor 100A auf die oben beschriebenen Temperaturen in die gewünschten Aktivierungszustände versetzt.
Dann wird das Messgas in den Gassensor 100A, der wie oben beschrieben eingestellt wurde, eingebracht, um die Messung der Oxide, wie beispielsweise im Messgas enthaltenes NO_x, einzuleiten.
Das Messgas wird in die erste Kammer 110 mit dem vorbestimmten Diffusionswiderstand durch den ersten Diffusionsratenbestimmungsbereich 106 eingeführt. Der Partialdruck des im Messgas enthaltenen Sauerstoffs ist in Übereinstimmung mit der Pumpspannung Vp1, die zwischen der inneren Pumpenelektrode 114 und der äußeren Pumpenelektrode 116 mithilfe der variablen Spannungsquelle 120 angelegt wird, auf einen vorbestimmten Wert eingestellt. Das bedeutet, dass der Sauerstoffpartialdruck in der ersten Kammer 110 auf der Grundlage der Spannung V0 zwischen der Referenzelektrode 124 und der Messelektrode 122, die vom Voltmeter 128 der Sauerstoffpartialdrucksteuerungs-Messzelle 126 detektiert wird, gemessen werden kann. Die Spannung V0 ist die Urspannung der Sauerstoffkonzentrationszelle, die durch oben beschriebene die Nernst-Gleichung spezifiziert wird. Die Pumpspannung Vp1 der variablen Spannungsquelle 120 wird mithilfe des Regelungssystems 130 gesteuert, sodass die Spannung V0 150 mV bis 350 mV beträgt. Der Sauerstoffpartialdruck ist somit in der ersten Kammer 110 auf einen vorbestimmten Wert eingestellt.
Das Messgas, welches auf einen vorbestimmten Sauerstoffpartialdruck in der ersten Kammer 110 eingestellt wurde, wird nun in die zweite Kammer 112 durch den zweiten Diffusionsratenbestimmungsbereich 108 eingeführt, der auf einen Diffusionswiderstand eingestellt wurde, der über dem des ersten Diffusionsratenbestimmungsbereich 106 liegt.
In der zweiten Kammer 112 wird die Detektionsspannung Vp2, die auf einen Spannungswert eingestellt wurde, der ein ausreichendes Abpumpen von Sauerstoff in der zweiten Kammer 112 zulässt, zwischen der Detektionselektrode 132 und der inneren Pumpenelektrode 114 mithilfe der variablen Spannungsquelle 136 (gesteuert durch die Urspannung V1) angelegt. Im Messgas enthaltenes NO_x, wie beispielsweise NO und NO₂, wird von der Detektionselektrode 132, die aus Rh-Cermet als den Oxid reduzierenden Katalysator aufgebaut ist, mithilfe der Detektionsspannung Vp2 abgebaut, oder NO_x wird von einem Katalysator abgebaut, der getrennt von der Detektionselektrode 132 angeordnet ist. Der dadurch erzeugte Sauerstoff wird in die Richtung der ersten Kammer 110 durch die zweite Festelektrolytenschicht 102f abgepumpt. Während dieses Vorgangs wird der Stromwert Ip2, der durch die Bewegung der Sauerstoffionen erzeugt wird, von Amperemeter 138 gemessen. Die Konzentration des im Messgas enthaltenen vorbestimmten Oxids, beispielsweise NO_x, wie beispielsweise NO und NO₂, wird aus dem Stromwert Ip2 abgeleitet.
Nun wird mit Bezug auf 3 ein Steuerkreissystem 150A (hierin in Folge einfach als "Steuerkreissystem gemäß der ersten Ausführungsform" bezeichnet) des Gassensors 100A gemäß der ersten Ausführungsform erklärt.
Wie in 3 gezeigt umfasst das Steuerkreissystem 150A gemäß der ersten Ausführungsform einen Hauptpumpensteuerkreis 152 und einen Detektionspumpensteuerkreis 154.
Der Hauptpumpensteuerkreis 152 umfasst eine erste Komparatorvorrichtung 156 zur Bestimmung einer Differenz zwischen der Differenz (gemessene Spannung Va) zwischen dem elektrischen Potential der Messelektrode 122 und dem elektrischen Erdpotential und der Differenz (Referenzspannung Vb) zwischen dem elektrischen Potential der Referenzelektrode 124 und dem elektrischen Erdpotential, eine zweite Komparatorvorrichtung 158 zur Bestimmung der Differenz zwischen dem Ausgangssignal Vc der ersten Komparatorvorrichtung 156 und einer Zielspannung Vd (beispielsweise 300 mV), sowie einen ersten Verstärker 160 zur Verstärkung des Ausgangssignals Ve der zweiten Komparatorvorrichtung 158 um eine vorbestimmte Verstärkung und zur Ausgabe der erhaltenen Spannung als die Pumpspannung Vp1 für die äußere Pumpenelektrode 116.
Der Detektionspumpensteuerkreis 154 umfasst eine dritte Komparatorvorrichtung 162 zur Bestimmung einer Differenz zwischen der Differenz (Detektionsspannung Vf) zwischen dem elektrischen Potential der Detektionselektrode 132 und dem elektrischen Erdpotential und der Differenz (Referenzspannung Vb) zwischen dem elektrischen Potential der Referenzelektrode 124 und dem Erdpotential, eine vierte Komparatorvorrichtung 164 zur Bestimmung der Differenz zwischen dem Ausgangssignal Vg der dritten Komparatorvorrichtung 162 und einer Zielspannung Vh (beispielsweise 450 mV), sowie einen zweiten Verstärker 166 zur Verstärkung des Ausganssignals Vi der vierten Komparatorvorrichtung 164 um eine vorbestimmte Verstärkung und zur Ausgabe der erhaltenen Spannung als die Detektionsspannung Vp2 für die Detektionselektrode 132.
Die erste Vergleichsvorrichtung 156, die zweite Vergleichsvorrichtung 158 und der erste Verstärker 160, die den Hauptpumpensteuerkreis 152 bilden, und die dritte Vergleichsvorrichtung 162, die vierte Vergleichsvorrichtung 164 und der zweite Verstärker 166, die den Detektionspumpensteuerkreis 154 bilden, bilden jeweils einen Operationsverstärker. Für jedes dieser gilt, dass ein Spannungsquellenanschluss an eine positive (+) Spannungsquellennebenleitung L1 oder eine negative (–) Spannungsquellennebenleitung L2 einer Gleichspannungsquelle 168 angeschlossen sind, und dass der andere Spannungsquellenanschluss mit einer Erdungs-Leitung Lg aus der Gleichspannungsquelle 168 verbunden ist. Die innere Pumpenelektrode 114 ist an die Erdungs-Leitung Lg angeschlossen.
Dementsprechend wird, was den Hauptpumpensteuerkreis 152 betrifft, zuerst das Messgas in die erste Kammer 110 über den ersten Diffusionsratenbestimmungsbereich 106 eingebracht, und die während dieses Vorgangs erhaltene gemessene Spannung Va und Referenzspannung Vb werden der ersten Vergleichsvorrichtung 156 zugeführt. Die Differenzspannung Vc zwischen der gemessenen Spannung Va und der Referenzspannung Vb wird von ersten Vergleichsvorrichtung 156 ermittelt und ausgeben. Die Differenzspannung Vc wird beispielsweise an einen invertierenden Eingang der zweiten, stromabwärts angeordneten Komparatorvorrichtung 158 angelegt. Die zweite Komparatorvorrichtung 158 bestimmt die Differenz zwischen der dem invertierenden Eingang zugeführten Differentialspannung Vc und der Zielspannung Vd (beispielsweise 300 mV), die in den nichtinvertierenden Eingang eingespeist wurde. Das Spannungssignal Ve, welches die Differenz darstellt, wird am Ausgangsanschluss ausgegeben. Das Spannungssignal Ve wird vom stromabwärts angeordneten ersten Verstärker 160 um die vorbestimmte Verstärkung verstärkt, und die verstärkte Spannung wird der äußeren Pumpenelektrode 116 der Hauptpumpzelle 118 als die Pumpspannung Vp1 zugeführt. In dieser Ausführungsform ist die innere Pumpenelektrode 114 an die Erdungs-Leitung Lg angeschlossen, um das Erdungspotential (0 V) aufzuweisen. Infolgedessen entspricht die Spannung zwischen den Elektroden 114 und 116 der Hauptpumpzelle 118 der Pumpspannung Vp1, die vom ersten Verstärker 160 zugeführt wird.
In dieser Ausführungsform weist die Gleichspannungs-Quelle 168 den positiven/negativen (±) Ausgang auf. Ist die Sauerstoffkonzentration in der ersten Kammer 110 geringer als die Zielkonzentration, so wird an die äußere Pumpenelektrode 116 eine negative Spannung angelegt. Der Sauerstoff im Außenraum wird so in die erste Kammer 110 hineingepumpt. Ist im Gegensatz dazu die Sauerstoffkonzentration in der ersten Kammer 110 höher als die Zielkonzentration, so wird an die äußere Pumpenelektrode 116 eine positive Spannung angelegt. So wird Sauerstoff aus der ersten Kammer 110 in den Außenraum abgepumpt.
Das bedeutet, dass die Hauptpumpzelle 118 den im Messgas, welches in den ersten Raum 110 eingeführt wurde, enthaltenen Sauerstoff in einer Menge abpumpt, die dem Pegel der Pumpspannung Vp1 entspricht, oder die Hauptpumpzelle 118 pumpt Sauerstoff in einer dem Pegel der Pumpspannung Vp1 entsprechenden Menge hinein. Diese Betriebsreihenfolge wird wiederholt, wodurch die Sauerstoffkonzentration in der ersten Kammer 110 einer Regelung unterliegt, um das vorbestimmte Niveau zu erreichen.
Was nun den Detektionspumpensteuerkreis 154 betrifft, wird das Messgas in der ersten Kammer 110 über den zweiten Diffusionsratenbestimmungsbereich 108 in die zweite Kammer 112 eingebracht. Die während dieses Vorgangs erhaltene Detektionsspannung Vf und Referenzspannung Vb werden der dritten Komparatorvorrichtung 162 zugeführt. Die Differentialspannung Vg zwischen der Detektionsspannung Vf und der Referenzspannung Vb wird von der dritten Komparatorvorrichtung 162 ermittelt und ausgeben. Die Differentialspannung Vg wird beispielsweise an einen invertierenden Eingang der vierten, stromabwärts angeordneten Komparatorvorrichtung 164 angelegt. Die vierte Komparatorvorrichtung 164 bestimmt die Differenz zwischen der dem invertierenden Eingang zugeführten Differentialspannung Vg und der Zielspannung Vh (beispielsweise 450 mV), die in den nichtinvertierenden Eingang eingespeist wurde. Das Spannungssignal Vi, welches die Differenz darstellt, wird am Ausgang ausgegeben. Das Spannungssignal Vi wird vom stromabwärts angeordneten zweiten Verstärker 166 um das vorbestimmte Ausmaß verstärkt, und die verstärkte Spannung wird der Detektionselektrode 132 der Detektionspumpzelle 134 als die Detektionsspannung Vp2 zugeführt. In dieser Ausführungsform ist die innere Pumpenelektrode 114 an die Erdungs-Leitung Lg angeschlossen, um das Erdpotential (0 V) aufzuweisen. Infolgedessen entspricht die Spannung zwischen den Elektroden 114 und 132 der Detektionspumpzelle 134 der Pumpspannung Vp2, die vom zweiten Verstärker 166 zugeführt wird.
In dieser Ausführungsform ist die Sauerstoffkonzentration in der zweiten Kammer 112 so eingestellt, dass sie niedriger ist als die Zielsauerstoffkonzentration in der ersten Kammer 110. Deshalb wird eine negative Spannung an die Detektionselektrode 132 angelegt. Dementsprechend wird der Sauerstoff in der zweiten Kammer 112 durch die zweite Festelektrolytenschicht 102f in die erste Kammer 110 abgepumpt.
Wie oben beschrieben wird im Gassensor 100A gemäß der ersten Ausführungsform der unter Einsatz der Detektionspumpzelle 134 abzupumpende Sauerstoff in die Richtung der inneren Pumpenelektrode 114, die mit der Erdungs-Leitung Lg der Gleichspannungsquelle 168, inneren Pumpenelektrode 114 und der äußeren Pumpenelektrode 116 der Hauptpumpzelle 118 verbunden ist, gepumpt. Das heißt, dass der Sauerstoff abgepumpt und in das Innere der ersten Kammer 110 gepumpt wird. Deshalb wird, wenn Sauerstoff mithilfe der Detektionspumpzelle 134 abgepumpt wird, die negative Spannung an die Detektionselektrode 132 angelegt.
Demgemäß kann die Referenzleitung (Erdungs-Leitung Lg) der Spannungsquelle für die zwischen der inneren Pumpenelektrode 114 und der äußeren Pumpenelektrode 116 der Hauptpumpzelle 118 anzulegende Pumpspannung Vp1 gemeinsam mit jener der Spannungsquelle für die zwischen der Detektionselektrode 132 und der inneren Pumpenelektrode 114 der Detektionspumpzelle 134 anzulegende Pumpspannung Vp2 verwendet werden.
Infolgedessen ist es nicht notwendig, eine getrennte Gleichspannungsquelle, die isoliert und unabhängig ist (isolierte Spannungsquelle) bereitzustellen, um die Detektionspumpzelle 134 zu speisen. Die Detektionsspannung Vp2 kann also unter Verwendung der nichtisolierten Spannungsquelle erzeugt werden, die keinen isolierten Transformator einsetzt. Dies erleichtert die Verkleinerung des Steuerkreissystems 150A des Gassensors 100A und die Verringerung des Gewichts dessen. Weiters erleichtert dies die Verkleinerung des Gassensors 100A selbst sowie die Verringerung seines Gewichts.
Im Besonderen wird im Gassensor 100A gemäß der ersten Ausführungsform die Elektrode, die als Referenz für das elektrische Potential in der Hauptpumpzelle 118 dient, gemeinsam mit der Elektrode verwendet, die als Referenz für das elektrische Potential in der Detektionspumpzelle 134 verwendet wird, d. h. beide Elektroden werden gemeinsam als die innere Pumpenelektrode 114 eingesetzt. Deshalb ist es möglich, die nichtisolierte Spannungsquelle auf der Basis von Halbleiterbauteilen als Spannungsquelle für die Ansteuerung der Detektionspumpzelle 134 zu verwenden, wenn die innere Pumpenelektrode 114 so wie in dieser Ausführungsform an die Erdungs-Leitung Lg angeschlossen ist.
Mit anderen Worten war es beim in 10 gezeigten herkömmlichen Verfahren notwendig, dass Gleichspannungsquellen oder an die Gleichspannungsquellen angeschlossenen DC-DC-Stromrichter als einzelne Einheiten in der Anzahl der Steuerkreise (Pumpensteuerkreise 52) und der Spannungsquellen-Spannungserzeugungskreise (Schaltkreise zur Erzeugung von Spannung E1, E2) bereitgestellt wurden. Im Falle des Gassensors 100A gemäß der ersten Ausführungsform ist es hingegen ausreichend, dass die Gleichspannungsquelle 168 oder der DC-DC-Stromrichter in einer Anzahl von Einheiten bereitgestellt ist, die unter der Anzahl der Steuerkreise (der Hauptpumpensteuerkreis 152 und der Detektionspumpensteuerkreis 154) liegt. Im Besonderen kann der elektrische Strom aus der Spannungsquelle für die jeweiligen Steuerkreise (152, 154) durch Bereitstellung von nur einer DC-Spannungsquelle 168 oder nur einem mit einer Gleichspannungsquelle 168 verbundenen DC-DC-Stromrichter zugeführt werden.
Nachstehend wird nun eine modifizierte Ausführungsform des Gassensors 100A gemäß der ersten Ausführungsform unter Bezugnahme auf 4 erklärt. Komponenten oder Bauteile, die jenen in 2 entsprechen, sind mit denselben Referenzzahlen versehen, wobei auf eine wiederholte Erklärung dieser verzichtet wird.
Wie in 4 dargestellt ist, ist ein Gassensor 100Aa gemäß dieser modifizierten Ausführungsform in etwa auf die gleiche Weise wie der Gassensor 100A gemäß der oben beschriebenen ersten Ausführungsform (vlg. 2) aufgebaut. Der Erstere unterscheidet sich jedoch von Letzerem insofern, als die innere Pumpenelektrode 114 der Hauptpumpzelle 118 gemeinsam mit der Messelektrode 122 der Sauerstoffpartialdrucksteuerungs-Messzelle 126 (vgl. 2) verwendet wird.
Deshalb umfasst der Gassensor 100Aa gemäß dieser modifizierten Ausführungsform keine Messelektrode 122.
Der Betrieb des Gassensors 100Aa gemäß dieser modifizierten Ausführungsform wird nun erklärt. Zuerst wird Messgas in die erste Kammer 110 eingeführt. Während dieses Vorgangs wird die Klemmenspannung V0 zwischen der inneren Pumpenelektrode 114 der Hauptpumpzelle 118 und der Referenzelektrode 124, die auf der Seite des Raums 104 zur Einführung von Referenzgas ausgebildet ist, vom Voltmeter 128 gemessen. Die variable Spannungsquelle 120 wird daraufhin einer Regelung auf der Grundlage der gemessenen Spannung V0 unterzogen. Dementsprechend wird der von der Hauptpumpzelle 118 durchgeführte Pumpvorgang so gesteuert, dass der Sauerstoffpartialdruck in der Atmosphäre in der ersten Kammer 110 einen vorbestimmten Wert erreicht, der ausreichend niedrig ist, um im nächsten Schritt den Sauerstoffpartialdruck in der zweiten Kammer 112 zu steuern.
In dieser Ausführungsform ist die gemessene Spannung V0, die vom Voltmeter 128 der Sauerstoffpartialdrucksteuerungs-Messzelle 126 detektiert wird, die Klemmen spannung V0 zwischen der inneren Pumpenelektrode 114 und der Referenzelektrode 124. Wird die durch die Hauptpumpzelle 118 abgepumpte Sauerstoffmenge verändert und wird die Sauerstoffkonzentration in der Atmosphäre der ersten Kammer 110 verändert, so ändert sich deshalb auch die Klemmenspannung V0 zwischen der Referenzelektrode 124 und der inneren Pumpenelektrode 114 der Hauptpumpzelle ohne Zeitverzögerung. Demgemäß kann das Regelungssystem 130 für die variable Spannungsquelle 120 die Sauerstoffkonzentration in der ersten Kammer 110 äußerst präzise und ohne Erzeugung eines Schwingungsphänomens steuern.
Der Gassensor 100Aa gemäß dieser modifizierten Ausführungsform weist allerdings einen Fehler bei der von der Sauerstoffpartialdrucksteuerungs-Messzelle 126 durchgeführten Messung der Urspannung von (Kontaktstellenwiderstand zwischen innerer Pumpenelektrode 114 und zweiter Festelektrolytenschicht 102f) × (durch die Hauptpumpzelle 118 fließender Pumpstrom Ip1) auf. Es ist deshalb wünschenswert, dass die Zielspannung Vd, die mit dem Ausgangssignal Vc der ersten Komparatorvorrichtung 156 in der zweiten Komparatorvorrichtung 158 des Hauptpumpensteuerkreises 152 (3) verglichen werden soll, auf einen Wert korrigiert wird, der das Ausmaß des oben beschriebenen Fehlers berücksichtigt.
Nun wird mit Bezug auf 5 ein Gassensor 100B gemäß einer zweiten Ausführungsform erklärt. Komponenten oder Bauteile, die jenen in 2 entsprechen, sind mit denselben Bezugszeichen versehen, wobei auf eine wiederholte Erklärung dieser verzichtet wird.
Wie in 5 dargestellt ist, ist der Gassensor 100B gemäß der zweiten Ausführungsform in etwa auf die gleiche Weise wie der Gassensor 100A gemäß der oben beschriebenen ersten Ausführungsform (vgl. 2) aufgebaut. Der Erstere unterscheidet sich jedoch von Letzerem insofern, als eine Hilfspumpzelle 170 und eine Sauerstoffpartialdruck-Hilfsmesszelle 172 bereitgestellt sind.
Die Hilfspumpzelle 170 ist aus einer Hilfspumpenelektrode 174 mit einer im wesentlichen rechteckigen und planaren Konfiguration, die aus einer porösen Cermetelektrode besteht und die am gesamten unteren Oberflächenabschnitt zur Bildung der zweiten Kammer 112 der unteren Oberfläche der zweiten Festelektrolytenschicht 102f ausgebildet ist, der inneren Pumpenelektrode 114 der Hauptpumpzelle 118 und der zweiten Festelektrolytenschicht 102 aufgebaut.
Die Hilfspumpenelektrode 174 basiert auf der Verwendung von Materialien mit gar keiner oder nur schwacher Reduktionsfähigkeit für die NO_x-Komponenten im Messgas, so wie dies bei der inneren Pumpenelektrode 114 der Hauptpumpzelle 118 der Fall ist. In dieser Ausführungsform wird bevorzugt, dass die Hilfspumpenelektrode 174 beispielsweise aus einer Verbindung mit Perovskitstruktur, wie beispielsweise La₃CuO₄, einem Cermetmaterial, welches ein Keramikmaterial und ein Metall, wie beispielsweise Au mit niedriger katalytischer Wirkung umfasst, oder einem Cermetmaterial, welches ein Keramikmaterial, ein Metall der Pt-Gruppe und ein Metall, wie beispielsweise Au mit niedriger katalytischer Wirkung umfasst, besteht. Wird eine aus Au und einem Metall der Pt-Gruppe bestehende Legierung als Elektrodenmaterial eingesetzt, so wird vorzugsweise Au in einer Menge von 0,03 bis 35 Vol.-%, bezogen auf die gesamte Metallkomponente, zugesetzt.
Der Sauerstoff in der Atmosphäre der zweiten Kammer 112 kann mithilfe der variablen Spannungsquelle 176 durch Anlegen einer Hilfspumpspannung Vp3 zwischen Hilfspumpenelektrode 174 und der inneren Pumpenelektrode 114 der Hilfspumpzelle 170 in Richtung der ersten Kammer 110 abgepumpt werden.
Die Sauerstoffpartialdruck-Hilfsmesszelle 172 ist aus der Hilfspumpenelektrode 174, der Referenzelektrode 124, der zweiten Festelektrolytenschicht 102f, der ersten Abstandsschicht 102e und der ersten Festelektrolytenschicht 102d aufgebaut.
Die Sauerstoffpartialdruck-Hilfsmesszelle 172 wird auf dieselbe, oben beschriebene Weise wie die Sauerstoffpartialdrucksteuerungs-Messzelle 126 betrieben. Das heißt, dass der Sauerstoffpartialdruck in der Atmosphäre der zweiten Kammer 112 durch Messen der Urspannung V2, die zwischen der Hilfspumpenelektrode 174 und der Referenzelektrode 124 erzeugt wird, auf der Grundlage der Differenz der Sauerstoffkonzentration zwischen der Atmosphäre in der zweiten Kammer 112 und dem Referenzgas (Umgebungsluft) im Referenzgasraum 104 mithilfe eines Voltmeters 178 detektiert werden kann.
Der detektierte Wert des Sauerstoffpartialdrucks wird zur Steuerung der Hilfspumpspannung Vp3 der variablen Spannungsquelle 176 mithilfe eines Regelungssystems 180 zu steuern. Die Steuerung wird so ausgeführt, dass der Sauerstoffpartialdruck in der Atmosphäre der zweiten Kammer 112 einen Zustand aufweist, in dem die Messgaskomponente (NO_x) nicht wesentlich reduzierbar oder abbaubar ist, und der Sauerstoffpartialdruck weist einen niedrigen Wert auf, bei dem die Messung der Menge der Zielkomponente nicht wesentlich beeinflusst wird. Spezifisch wird die variable Spannungsquelle 176 auf einen Spannungswert eingestellt, der eine Größe aufweist, um einen Grenzstrom für den Pumpvorgang des Sauerstoffs, der während des von der Hilfspumpzelle 170 durchgeführten Abbaus erzeugt wurde, zu ergeben. Wird in dieser Ausführungsform die durch die Hilfspumpzelle 170 abgepumpte Sauerstoffmenge verändert und wird die Sauerstoffkonzentration in der Atmosphäre der zweiten Kammer 112 verändert, so ändert sich auch die Klemmenspannung V0 zwischen der Hilfspumpenelektrode 174 und der Referenzelektrode 124 ohne Zeitverzögerung. Demgemäß kann das Regelungssystem 180 für die variable Spannungsquelle 176 die Sauerstoffkonzentration in der zweiten Kammer 112 äußerst präzise und ohne Erzeugung eines Schwingungsphänomens steuern.
Wird darauf abgezielt, den Sauerstoffpartialdruck in der Atmosphäre der ersten Kammer 110 durch Betrieb der Hauptpumpzelle 118 auf einen niedrigen Wert des Sauerstoffpartialdrucks einzustellen, der die Messung von NO_x nicht wesentlich beeinflusst, oder mit anderen Worten, wird die Pumpspannung Vp1 der variablen Spannungsquelle 120 mithilfe des Regelungssystems 130 angepasst, sodass die von der Sauerstoffpartialdrucksteuerungs-Messzelle 126 detektierte Spannung V0 konstant ist, wenn sich die Sauerstoffkonzentration im Messgas stark verändert, beispielsweise in einem Bereich von 0 bis 20%, dann ändert sich der jeweilige Sauerstoffpartialdruck in der Atmosphäre in der zweiten Kammer 112 und in der Atmosphäre in der Nähe der Detektionselektrode 132 in gewöhnlichen Fällen ein wenig. Dieses Phänomen wird wahrscheinlich durch Folgendes ausgelöst: Nimmt die Sauerstoffkonzentration im Messgas zu, so kommt es zu einer Verteilung der Sauerstoffkonzentration in Richtung der Breite und der Dicke über der Messelektrode 122 in der ersten Kammer 110. Die Verteilung der Sauerstoffkonzentration ändert sich in Abhängigkeit von der Sauerstoffkonzentration im Messgas.
Im Falle des Gassensors 100B gemäß der zweiten Ausführungsform jedoch ist eine Hilfspumpzelle 170 für die zweite Kammer 112 bereitgestellt, sodass der Sauerstoffpartialdruck in deren internen Atmosphäre immer einen konstanten niedrigen Wert des Sauerstoffpartialdrucks aufweist. Demgemäß kann, auch wenn der Sauerstoffpartialdruck in der von der ersten Kammer 110 in die zweite Kammer 112 eingeführten Gasatmosphäre sich in Abhängigkeit von der Sauerstoffkonzentration im Messgas ändert, der Sauerstoffpartialdruck in der Atmosphäre in der zweiten Kammer 112 aufgrund des von der Hilfspumpzelle 170 durchgeführten Pumpvorgangs immer auf einem konstanten niedrigen Wert gehalten werden. Infolgedessen kann der Sauerstoffpartialdruck auf einen konstanten niedrigen Wert eingestellt werden, bei dem die Messung von NO_x nicht wesentlich beeinflusst wird.
Das NO_x im Messgas, welches in die Detektionselektrode 132 eingeführt wird, wird rund um die Detektionselektrode 132 reduziert oder abgebaut. So ist beispielsweise das Auftreten einer Reaktion von NO → 1/2N₂ + 1/2O₂ möglich. Bei diesem Vorgang wird eine vorbestimmte Spannung Vp2, beispielsweise 430 mV (700°C) zwischen der Detektionselektrode 132 und der inneren Pumpenelektrode 114, die die Detektionspumpzelle 134 bilden, in eine Richtung angelegt, um den Sauerstoff aus der zweiten Kammer 112 in die erste Kammer 110 abzupumpen.
Deshalb weist der Pumpstrom Ip2, der durch die Detektionspumpzelle 134 fließt, einen Wert auf, der proportional zur Summe der Sauerstoffkonzentration in der in die zweite Kammer 112 eingeführten Atmosphäre, d. h. der Sauerstoffkonzentration in der zweiten Kammer 112, und der Sauerstoffkonzentration, die durch die Reduktion oder den Abbau von NO_x mithilfe der Detektionselektrode 132 erzeugt wurde, ist.
In dieser Ausführungsform wird die Sauerstoffkonzentration in der Atmosphäre in der zweiten Kammer 112 mithilfe der Hilfspumpzelle 172 konstant eingestellt. Dementsprechend ist der durch die Detektionspumpzelle 134 fließende Pumpstrom Ip2 proportional zur NO_x-Konzentration. Außerdem entspricht, wenn ein Aluminiumoxidfilm zur Bildung eines dritten Diffusionsbestimmungsbereichs (nicht dargestellt) ausgebildet ist, um die Detektionselektrode 132 damit abzudecken, die NOx Konzentration der Diffusionsmenge von NO_x, die vom dritten Diffusionsbestimmungsbereich eingeschränkt wird. Auch wenn sich die Sauerstoffkonzentration im Messgas stark verändert, ist es deshalb möglich, die NO_x Konzentration auf der Grundlage der Verwendung der Detektionspumpzelle 134 mithilfe des Amperemeters 138 präzise zu messen.
Beispielsweise wird angenommen, dass sich der von der Hilfspumpzelle 170 gesteuerte Sauerstoffpartialdruck in der Atmosphäre in der zweiten Kammer 112 auf 0,02 ppm beläuft und dass die Konzentration von NO als die NO_x-Komponente im Messgas 100 ppm beträgt. Der Pumpstrom Ip2 fließt in einer der Summe (= 50,02 ppm) aus der durch Reduktion oder Abbau von NO erzeugten Sauerstoffkonzentration von 50 ppm und der Sauerstoffkonzentration in der Atmosphäre der zweiten Kammer 112 von 0,02 entsprechenden Menge. Deshalb stellt fast der gesamte Wert des Pumpstroms Ip2, der durch die Arbeit der Detektionspumpzelle 134 erhalten wurde, die durch die Reduktion oder den Abbau von NO erhaltene Menge dar. Dementsprechend hängt das Ergebnis nicht von der Sauerstoffkonzentration im Messgas ab.
Nun wird mit Bezug auf 6 ein Steuerkreissystem 150B (hierin in Folge einfach als "Steuerkreissystem gemäß der zweiten Ausführungsform" bezeichnet) für den Gassensor 100B gemäß der zweiten Ausführungsform beschrieben. Komponenten oder Bauteile, die jenen in 3 entsprechen, sind mit denselben Referenzzahlen versehen, wobei auf eine wiederholte Erklärung dieser verzichtet wird.
Wie in 6 zu sehen ist, ist das Steuerkreissystem gemäß der zweiten Ausführungsform auf in etwa dieselbe Weise wie das Steuerkreissystem 150A gemäß der oben beschriebenen ersten Ausführungsform (vgl. 3) aufgebaut. Jedoch unterscheidet sich das Erstere von Letzterem insofern, als die Hilfspumpzelle 170 hinzugefügt ist, weshalb ein Hilfspumpensteuerkreis 182 zur Steuerung der Hilfspumpzelle 170 zwischen dem Hauptpumpensteuerkreis 152 und dem Detektionspumpensteuerkreis 154 eingeschoben und mit diesen verbunden ist.
Wie 6 zu entnehmen ist umfasst der Hilfspumpensteuerkreis 182 eine fünfte Komparatorvorrichtung 186 zur Bestimmung einer Differenz zwischen der Differenz (Detektionsspannung Vj) zwischen dem elektrischen Potential der Hilfspumpenelektrode 174 und dem elektrischen Erdpotential und der Differenz (Referenzspannung Vb) zwischen dem elektrischen Potential der Referenzelektrode 124 und dem Erdpotential, eine sechste Komparatorvorrichtung 186 zur Bestimmung der Differenz zwischen dem Ausgangssignal Vk der fünften Komparatorvorrichtung 184 und einer Zielspannung Vm (beispielsweise 450 mV), sowie einen dritten Verstärker 188 zur Verstärkung des Ausgangssignals Vn der sechsten Komparatorvorrichtung 186 um ein vorbestimmtes Ausmaß und zur Ausgabe der erhaltenen Spannung als die Hilfspumpspannung Vp3 für die Hilfspumpenelektrode 174.
Die fünfte Komparatorvorrichtung 184, die sechste Komparatorvorrichtung 186 und der dritte Verstärker 188, die den Detektionspumpensteuerkreis 154 bilden, bilden einen Operationsverstärker auf dieselbe Weise, wie dies die erste Komparatorvorrichtung 156, die zweite Komparatorvorrichtung 158 und der erste Verstärker 160, die den Hauptpumpensteuerkreis 152 bilden, und die dritte Komparatorvorrichtung 162, die vierte Komparatorvorrichtung 164 und der zweite Verstärker 166, die den Detektionspumpensteuerkreis 154 bilden, auch tun. Für jeden dieser gilt, dass ein Spannungseingang an eine positive (+) Stromnebenleitung L1 oder eine negative (–) Stromnebenleitung L2 einer Gleichspannungsquelle 168 angeschlossen sind, und dass der andere Spannungseingang mit einer Erdungs-Leitung Lg aus der Gleichspannungsquelle 168 verbunden sind. Auch in dieser Ausführungsform ist die innere Pumpenelektrode 114 an die Erdungs-Leitung Lg angeschlossen.
Dementsprechend wird, was den Hilfspumpensteuerkreis 182 betrifft, das Messgas in der ersten Kammer 110 über den zweiten Diffusionsratenbestimmungsbereich 108 in die zweite Kammer 112 eingeführt, und die während dieses Vorgangs erhaltene Detektionsspannung Vj und Referenzspannung Vb werden der fünften Komparatorvorrichtung 184 zugeführt. Die Differenzspannung Vk zwischen der Detektionsspannung Vj und der Referenzspannung Vb wird von der fünften Komparatorvorrichtung 184 ermittelt und ausgeben. Die Differenzspannung Vk wird beispielsweise an einen invertierenden Eingang der sechsten, stromabwärts angeordneten Komparatorvorrichtung 186 angelegt. Die sechste Komparatorvorrichtung 186 bestimmt die Differenz zwischen der dem invertierenden Eingang zugeführten Differenzspannung Vk und der Zielspannung Vm (beispielsweise 450 mV), die in den nichtinvertierenden Eingang eingespeist wurde. Das Spannungssignal Vn, welches die Differenz darstellt, wird am Ausgang ausgegeben. Das Spannungssignal Vn wird vom stromabwärts angeordneten dritten Verstärker 188 um das vorbestimmte Ausmaß verstärkt, und die verstärkte Spannung wird der Hilfspumpenelektrode 174 der Hilfspumpzelle 170 als die Detektionsspannung Vp3 zugeführt. In dieser Ausführungsform ist die innere Pumpenelektrode 114 an die Erdungs-Leitung Lg angeschlossen, um Erdpotential (0 V) aufzuweisen. Infolgedessen entspricht die Spannung zwischen den Elektroden 114 und 174 der Hilfspumpzelle 170 der Pumpspannung Vp3, die vom dritten Verstärker 188 zugeführt wird.
In dieser Ausführungsform ist die Zielsauerstoffkonzentration für die zweite Kammer 112 niedriger als die Zielsauerstoffkonzentration für die erste Kammer 110 festgesetzt, weshalb an die Hilfspumpenelektrode 174 eine negative Spannung angelegt wird. Dementsprechend wird der Sauerstoff in der zweiten Kammer 112 durch die zweite Festelektrolytenschicht 102f in die erste Kammer 110 abgepumpt.
Das bedeutet, dass die Hilfspumpzelle 170 den im Messgas, welches in die zweite Kammer 112 eingeführt wurde, enthaltenen Sauerstoff in einer Menge, die dem Pegel der Hilfspumpspannung Vp3 entspricht, zur ersten Kammer 110 hin abpumpt. Diese Betriebsreihenfolge wird wiederholt, wodurch die Sauerstoffkonzentration in der zweiten Kammer 112 einer Regelung unterzogen wird, um das vorbestimmte Niveau zu erreichen.
Wie oben beschrieben wird im Gassensor 100B gemäß der zweiten Ausführungsform der unter Einsatz der Detektionspumpzelle 134 und der Hilfspumpzelle 170 abzupumpende Sauerstoff in die Richtung der inneren Pumpenelektrode 114, die mit der Erdungs-Leitung Lg der Gleichspannungsquelle 168 verbunden ist, gepumpt. Deshalb wird, wenn Sauerstoff mithilfe der Detektionspumpzelle 134 und der Hilfspumpzelle 170 abgepumpt wird, die negative Spannung jeweils an die Detektionselektrode 132 und die Hilfspumpenelektrode 174 angelegt.
Demgemäß kann die Referenzleitung (Erdungs-Leitung Lg) der Spannungsquelle für die Pumpspannung Vp1, die zwischen der äußeren Pumpenelektrode 116 und der inneren Pumpenelektrode 114 der Hauptpumpzelle 118 anzulegen ist, gemeinsam mit jener der Spannungsquelle für die Detektionsspannung Vp2, die zwischen der Detektionselektrode 132 und der inneren Pumpenelektrode 114 der Detektionspumpzelle 134 anzulegen ist, und mit jener der Spannungsquelle für die Hilfspumpspannung Vp3, die zwischen der Hilfspumpenelektrode 174 und der inneren Pumpenelektrode 114 der Hilfspumpzelle 170 anzulegen ist, verwendet werden.
Infolgedessen ist es nicht notwendig, eine seperate Gleichspannungsquelle, die isoliert und unabhängig ist (isolierte Spannungsquelle), bereitzustellen, um die Detektionspumpzelle 134 und die Hilfspumpzelle 170 anzusteuern. Die Detektionsspannung Vp2 und die Hilfspumpspannung Vp3 können also unter Verwendung der nichtisolierten Spannungsquelle erzeugt werden, die keinen isolierten Transformator einsetzt. Dies erleichtert die Verkleinerung des Steuerkreissystems 150B des Gassensors 100B und die Verringerung des Gewichts dessen. Weiters erleichtert dies die Verkleinerung des Gassensors 100B selbst sowie die Verringerung seines Gewichts.
Im Besonderen wird im Gassensor 100B gemäß der zweiten Ausführungsform die Elektrode, die als Referenz für das elektrische Potential in der Hauptpumpzelle 118 dient, gemeinsam mit der Elektrode, die als Referenz für das elektrische Potential in der Detektionspumpzelle 134 verwendet wird, und gemeinsam mit der Elektrode die als Referenz für das elektrisch Potential in der Hilfspumpzelle 170 verwendet wird, eingesetzt, d. h. all diese Elektroden werden gemeinsam als die innere Pumpenelektrode 114 eingesetzt. Deshalb ist es möglich, die nichtisolierte Spannungsquelle auf der Basis von Halbleiterbauteilen als Spannungsquelle jeweils für den Antrieb der Detektionspumpzelle 134 und der Hilfspumpzelle 170 zu verwenden, wenn die innere Pumpenelektrode 114 so wie in dieser Ausführungsform an die Erdungs-Leitung Lg angeschlossen ist.
Demgemäß ist es im Falle des Gassensors 100B gemäß der zweiten Ausführungsform ausreichend, dass die Gleichspannungsquelle 168 oder der DC-DC-Stromrichter in einer Anzahl von Einheiten bereitgestellt ist, die unter der Anzahl der Steuerkreise (der Hauptpumpensteuerkreis 152, der Detektionspumpensteuerkreis 154 und der Hilfspumpensteuerkreis 182) liegt. Im Besonderen kann der elektrische Strom aus der Spannungsquelle für die jeweiligen Steuerkreise (152, 154, 182) durch Bereitstellung von nur einer Gleichspannungs-Quelle 168 oder nur einem mit einer Gleichspannungsquelle 168 verbundenen DC-DC-Stromrichter zugeführt werden.
Weiters kann der Gassensor 100B gemäß der zweiten Ausführungsform so konstruiert sein, dass die innere Pumpenelektrode 114 der Hauptpumpzelle 118 gemeinsam mit der Messelektrode 122 der Sauerstoffpartialdrucksteuerungs-Messzelle 126 (vgl. 5) auf dieselbe Weise wie in der modifizierten Ausführungsform 100Aa des Gassensors 100A gemäß der ersten Ausführungsform verwendet wird.
Nun wird mit Bezug auf 7 ein Gassensor 1000 gemäß einer dritten Ausführungsform erklärt. Komponenten oder Bauteile, die jenen in 5 entsprechen, sind mit denselben Referenzzahlen versehen, wobei auf eine wiederholte Erklärung dieser verzichtet wird.
Wie in 7 dargestellt ist, ist ein Gassensor 1000 gemäß der dritten Ausführungsform in etwa auf die gleiche Weise wie der Gassensor 100B gemäß der oben beschriebenen zweiten Ausführungsform aufgebaut. Der Erstere unterscheidet sich jedoch von Letzerem insofern, als anstelle der Detektionspumpzelle 134 ein Sauerstoffpartialdruckdetektions-Messzelle 190 als die elektrochemische Sensorzelle für die Detektion von NO_x verwendet wird.
Die Sauerstoffpartialdruckdetektions-Messzelle 190 ist aus einer Detektionselektrode 192, die auf einem oberen Oberflächenabschnitt zur Bildung der zweiten Kammer 112 der oberen Oberfläche der ersten Festelektrolytenschicht 102d ausgebildet ist, der Referenzelektrode 124, die an der unteren Oberfläche der ersten Festelektrolytenschicht 102d ausgebildet ist, und der ersten Festelektrolytenschicht 102d aufgebaut.
In dieser Ausführungsform wird eine Urspannung (elektromotorische Kraft der Sauerstoffkonzentrationszelle) V1, die Sauerstoffkonzentrationsdifferenz zwischen der Atmosphäre rund um die Detektionselektrode 192 und der Atmosphäre rund um die Referenzelektrode 124 entspricht, zwischen der Detektionselektrode 192 und der Referenzelektrode 124 der Sauerstoffpartialdruckdetektions-Messzelle 190 angelegt.
Deshalb wird der Sauerstoffpartialdruck in der Atmosphäre rund um die Detektionselektrode 192, mit anderen Worten jener Sauerstoffpartialdruck, der von dem durch die Reduktion oder den Abbau der Messgaskomponente (NO_x) erzeugten Sauerstoff definiert wird, durch Messung der elektromotorischen Kraft (Spannung) V1, die zwischen der Detektionselektrode 192 und der Referenzelektrode 124 erzeugt wird, mit einem Voltmeter 194 als der Spannungswert V1 gemessen.
Das Ausmaß der Änderung der Urspannung V1 repräsentiert die NO_x-Konzentration. Das heißt, daß die von der Sauerstoffpartialdruckdetektions-Messzelle 190, welche aus der Detektionselektrode 192, der Referenzelektrode 124 und der ersten Festelektrolytenschicht 102d aufgebaut ist, ausgegebene Spannung V1 die NO_x-Konzentration im Messgas repräsentiert.
Auch im Gassensor 1000 gemäß der dritten Ausführungsform wird der von der Hilfspumpzelle 170 abzupumpende Sauerstoff in die Richtung der inneren Pumpenelektrode 114, die mit der Erdungs-Leitung Lg der Gleichspannungsquelle 168 verbunden ist, gepumpt. Deshalb kann die Referenzleitung (Erdungs-Leitung Lg) der Spannungsquelle für die Pumpspannung Vp1, die der Hauptpumpzelle 118 zuzuführen ist, gemeinsam mit jener der Spannungsquelle für die Hilfspumpspannung Vp3, die der Hilfspumpzelle 170 zuzuführen ist, verwendet werden.
Infolgedessen ist es nicht notwendig, eine getrennte Gleichspannungsquelle, die isoliert und unabhängig ist (isolierte Spannungsquelle), bereitzustellen, um die Hilfspumpzelle 170 zu speisen. Die Hilfspumpspannung Vp3 kann also unter Verwendung der nichtisolierten Spannungsquelle erzeugt werden, die keinen isolierten Transformator einsetzt. Dies erleichtert die Verkleinerung des Steuerkreissystems des Gassensors 1000 und die Verringerung des Gewichts dessen. Weiters erleichtert dies die Verkleinerung des Gassensors 1000 selbst sowie die Verringerung seines Gewichts.
Nebenbei erwähnt ist im Falle der oben beschriebenen Gassensoren 100A bis 1000 gemäß der ersten, zweiten und dritten Ausführungsform die Erdungs-Leitung Lg mit der inneren Pumpenelektrode 114 der Hauptpumpzelle 118 verbunden. Die Erdungs-Leitung Lg kann gegebenenfalls auch mit der äußeren Pumpenelektrode 116 der Hauptpumpzelle 118 verbunden sein. Wird der negative Leitungskabel der Heizvorrichtung 146 an die äußere Pumpenelektrode 116 angeschlossen, so kann die Leitung gemeinsam mit der Erdungs-Leitung der Heizvorrichtung 146 verwendet werden. So ist es möglich, die Verkabelung einfacher zu gestalten.
Ist die Leitung wie oben beschrieben verkabelt, so wird der Sauerstoff in der ersten Kammer 110 durch Anlegen einer negativen Spannung an die innere Elektrode 114 in den Außenraum hinausgepumpt, während durch Anlegen einer positiven Spannung an die innere Pumpenelektrode 114 der Sauerstoff aus dem Außenraum in die erste Kammer 110 hineingepumpt wird.
Der Sauerstoff wird mithilfe der Detektionspumpzelle 134 (und der Hilfspumpzelle 170) aus der zweiten Kammer 122 in die Richtung der äußeren Pumpenelektrode 116 gepumpt. Die negative Spannung wird an die Detektionselektrode 134 angelegt.
Üblicherweise weist die Isolierschicht 148, die zur elektrischen Isolierung der Heizvorrichtung 146 von den Substratschichten 102a, 102b gebildet wurde, in einem Zustand von hoher Temperatur einen Isolationswiderstand von mehreren MΩ auf. Ist die Erdungs-Leitung Lg mit der inneren Pumpenelektrode 114 verbunden, beispielsweise wenn eine Spannungsquelle von 12 V für die Heizvorrichtung 146 verwendet wird, dann fließt in dieser Anordnung ein Leckstrom von etwa mehreren μA von der Heizvorrichtung 146 zur inneren Pumpenelektrode 114. Wenn der Leckstrom durch die erste und die zweite Festelektrolytenschicht 102d, 102f fließt, welche Sauerstoffionenleiter sind, so kommt es zu einer Bewegung des Sauerstoffs. Die Sauerstoffkonzentration in der ersten Kammer 110 wird vom Ausmaß des Leckstroms beeinflusst.
Ist hingegen die Erdungs-Leitung Lg mit der äußeren Pumpenelektrode 116 verbunden, so fließt der Leckstrom zur äußeren Pumpenelektrode 116. In dieser Anordnung wird die Sauerstoffkonzentration in der ersten Kammer 110, selbst wenn es zu einer Sauerstoffbewegung kommt, von dieser nicht beeinflusst.
Die innere Pumpenelektrode 114 ist in der ersten Kammer 110 angeordnet. Wenn nun Sauerstoff aus der zweiten Kammer 112 mithilfe der Detektionspumpzelle 134 und der Hilfspumpzelle 170 in die Richtung der inneren Pumpenelektrode 144 abgepumpt wird, so ist es notwendig, dass der Sauerstoff, der der wie oben beschrieben abgepumpten Menge entspricht, unter Verwendung der Hauptpumpzelle 118 erneut in den Außenraum abgepumpt wird.
Wird im Gegensatz dazu der Sauerstoff in der zweiten Kammer 112 in die Richtung der äußeren Elektrode 116 abgepumpt, so wird dadurch der Vorteil erzielt, dass kein weiterer Pumpvorgang unter erneutem Einsatz der Hauptpumpzelle 118 notwendig ist, wenn das Messgas im Außenraum eine O₂-reiche Atmosphäre aufweist.
Die Gleichspannungsquelle 168 kann wie folgt angeordnet sein. Es werden in der Erdungs-Leitung Lg, in der positiven (+) Stromnebenleitung L1 und in der negativen (–) Stromnebenleitung L2, die von der Gleichspannungs-Quelle 168 herausführen, Spannungen von 0 V, +5 V und –5 V zugelassen. Alternativ dazu kann eine Batteriespannung (0 bis 12 V) am Mittelpunkt geteilt werden und 6 V (für Signale angenommene Grundspannung), 12 V (positive (+) Spannungsquellenspannung) und 0 V (negative (–) Spannungsquellenspannung) eingesetzt werden.
In den Gassensoren 100A bis 1000 gemäß der oben beschriebenen ersten, zweiten und dritten Ausführungsform (einschließlich der modifizierten Ausführungsformen) ist NO_x als Messgaskomponente das Ziel. Die vorliegende Erfindung ist jedoch auch auf die Messung von anderen Komponenten als NO_x, die gebundenen Sauerstoff umfassen, wirksam anwendbar, beispielsweise H₂O und CO₂, die sonst von im Messgas enthaltenem Sauerstoff beeinträchtigt würden.

Claims

Gassensor (100A), umfassend: ein Hauptpumpenmittel (118) zum Pump-Bearbeiten von in einem Messgas enthaltenem Sauerstoff, das von einem Außenraum in einen Bearbeitungsraum (110) eingebracht wird, der von einem Festelektrolyten (102f) gebildet und unterteilt ist, welcher den Außenraum kontaktiert, sodass ein Sauerstoffpartialdruck im Bearbeitungsraum (110) auf einen vorbestimmten Wert geregelt wird, bei dem eine vorbestimmte Gaskomponente als Messobjekt nicht abspaltbar ist; und ein Detektionspumpenmittel (134) zur Abspaltung der vorbestimmten Gaskomponente, die im Messgas nach dem Pump-Bearbeiten durch das Hauptpumpenmittel (118) enthalten ist, mithilfe einer katalytischen Einwirkung und/oder Elektrolyse, und zum Pump-Bearbeiten von Sauerstoff, der durch die Abspaltung entstanden ist, worin: die vorbestimmte Gaskomponente, die im Messgas enthalten ist, auf der Grundlage eines Pumpstroms (Ip2) gemessen wird, welcher in Übereinstimmung mit dem Pumpvorgang, der vom Detektionspumpenmittel (140) durchgeführt wird, durch das Detektionspumpenmittel (134) fließen gelassen wird; und das Hauptpumpenmittel (118) den Festelektrolyten (102f), der den Außenraum kontaktiert, sowie eine innere Hauptpumpenelektrode (114) und eine äußere Hauptpumpenelektrode (116), die auf der inneren und der äußeren Oberfläche des Festelektrolyten (102f) gebildet sind, umfasst; das Detektionspumpenmittel (134) einen Festelektrolyten (102d, 102e, 102f) sowie eine innere Detektionspumpenelektrode (132) und eine äußere Detektionspumpenelektrode (114) umfasst, die in Kontakt mit dem Festelektrolyten (102d, 102e, 102f) gebildet sind; dadurch gekennzeichnet, dass: eine der Pumpenelektroden (114 oder 116) des Hauptpumpenmittels (118) gemeinsam mit der äußeren Detektionspumpenelektrode (114 oder 116) des Detektionspumpenmittels (134) ausgebildet ist und eingestellt ist, um ein elektrisches Basispotential aufzuweisen; und der vom Detektionspumpenmittel (134) abzupumpende Sauerstoff in Richtung der Elektrode (114 oder 116) des Hauptpumpenmittels (118), die eingestellt ist, um ein elektrisches Basispotential aufzuweisen, abgepumpt wird.
Gassensor nach Anspruch 1, weiters umfassend: ein Hauptpumpen-Konzentrationsmessmittel (126) zur Erzeugung einer Urspannung (elektromotorischen Kraft) (V0), die der Differenz zwischen der in einem Referenzgas enthaltenen Menge an Sauerstoff und der im Messgas enthaltenen Menge an Sauerstoff während des vom Hauptpumpenmittel (118) durchgeführten Pumpvorgangs entspricht; und ein Hauptpumpen-Steuermittel (130) zum Steuern des vom Hauptpumpenmittel (118) durchgeführten Pumpvorgangs durch Anpassen des Pegels einer Steuerspannung (Vp1), die zwischen der inneren Hauptpumpenelektrode (114) und der äußeren Hauptpumpenelektrode (116) des Hauptpumpenmittels (118) angelegt wird, auf der Grundlage der Urspannung (V0).
Gassensor nach Anspruch 1 oder 2, weiters umfassend: ein Detektions-Konzentrationsmessmittel (140) zur Erzeugung einer Urspannung (V1), die der Differenz zwischen der in einem Referenzgas enthaltenen Menge an Sauerstoff und der Menge an Sauerstoff, die während der Abspaltung der nach dem Pump-Bearbeiten durch das Hauptpumpenmittel (118) im Messgas enthaltenen vorbestimmten Gaskomponente entsteht, entspricht; und ein Detektionspumpen-Steuermittel (144) zum Steuern des vom Detektionspumpenmittel (134) durchgeführten Pumpvorgangs durch Anpassen des Pegels einer Detektions-Spannung (Vp2), die zwischen der inneren Detektionspumpenelektrode (132) und der äußeren Detektionspumpenelektrode (114 oder 116) des Detektionspumpenmittels (134) angelegt wird, auf der Grundlage der Urspannung (V1).
Gassensor nach Anspruch 1, 2 oder 3, weiters umfassend ein Hilfspumpenmittel (170), welches den Festelektrolyten (102f) sowie eine innere Hilfspumpenelektrode (174) und eine äußere Hilfspumpenelektrode (114 oder 116) beinhaltet, die in Kontakt mit dem Festelektrolyten (102f) gebildet sind, um den im Messgas nach dem Pump-Bearbeiten durch das Hauptpumpenmittel (118) enthaltenen Sauerstoff in Richtung zum Hauptpumpenmittel (118) abzupumpen.
Gassensor (1000), umfassend: ein Hauptpumpenmittel (118) zum Pump-Bearbeiten von in einem Messgas enthaltenem Sauerstoff, das von einem Außenraum in einen Bearbeitungsraum (110) eingebracht wird, der von einem Festelektrolyten (102f) gebildet und unterteilt ist, welcher den Außenraum kontaktiert, sodass ein Sauerstoffpartialdruck im Bearbeitungsraum (110) auf einem vorbestimmten Wert geregelt wird, bei dem eine vorbestimmte Gaskomponente als Messobjekt nicht spaltbar ist; und ein Konzentrationsdetektionsmittel (190) zum Abspalten der im Messgas nach dem Pump-Bearbeiten durch das Hauptpumpenmittel (118) enthaltenen vorbestimmten Gaskomponente mithilfe einer katalytischen Einwirkung und zum Erzeugen einer Urspannung (V1), die der Differenz zwischen der durch die Aufspaltung entstandenen Menge an Sauerstoff und der in einem Referenzgas enthaltenen Menge an Sauerstoff entspricht, worin: die vorbestimmte Gaskomponente, die im Messgas enthalten ist, auf der Grundlage der vom Konzentrationsdetektionsmittel (190) detektierten Urspannung gemessen wird; der Gassensor (1000) weiters ein Hilfspumpenmittel (170) zum Abpumpen des im Messgas enthaltenen Sauerstoffs nach dem Pump-Bearbeiten durch das Hauptpumpenmittel (118) in Richtung einer Elektrode (114 oder 116) des Hauptpumpenmittels (118) umfasst, die eingestellt ist, um ein elektrisches Basispotential aufzuweisen; das Hauptpumpenmittel (118) den Festelektrolyten (102f), der den Außenraum kontaktiert, sowie eine innere Hauptpumpenelektrode (114) und eine äußere Hauptpumpenelektrode (116) umfasst, die an der inneren und der äußeren Oberfläche des Festelektrolyten (102f) gebildet sind; das Hilfspumpenmittel (170) den Festelektrolyten (102f) sowie eine innere Hilfspumpenelektrode (174) und eine äußere Hilfspumpenelektrode (114 oder 116) umfasst, die in Kontakt mit dem Festelektrolyten (102f) gebildet sind; eine der Pumpenelektroden (114 oder 116) des Hauptpumpenmittels (118) gemeinsam mit der äußeren Hilfspumpenelektrode (114 oder 116) des Hilfspumpenmittels (170) ausgebildet ist, und eingestellt ist, um das elektrische Basispotential aufzuweisen.
Gassensor nach Anspruch 5, weiters umfassend: ein Hauptpumpen-Konzentrationsmessmittel (126) zur Erzeugung einer Urspannung (V0), die der Differenz zwischen der in dem Referenzgas enthaltenen Menge an Sauerstoff und der im Messgas enthaltenen Menge an Sauerstoff während des vom Hauptpumpenmittel (118) durchgeführten Pumpvorgangs entspricht; und ein Hauptpumpen-Steuermittel (130) zum Steuern des vom Hauptpumpenmittel (118) durchgeführten Pumpvorgangs durch Anpassen des Pegels einer Steuerspannung (Vp1), die zwischen der inneren Hauptpumpenelektrode (114) und der äußeren Hauptpumpenelektrode (116) des Hauptpumpenmittels (118) angelegt wird, auf der Grundlage der Urspannung (V0).
Gassensor nach Anspruch 5 oder 6, weiters umfassend: ein Hilfskonzentrationsmessmittel (172) zur Erzeugung einer Urspannung (V2), die der Differenz zwischen der im Referenzgas enthaltenen Menge an Sauerstoff und der im Messgas nach dem Pump-Bearbeiten durch das Hauptpumpenmittel (118) enthaltenen Menge an Sauerstoff entspricht; und ein Hilfspumpen-Steuermittel (180), zum Steuern des vom Hilfspumpenmittel (170) durchgeführten Pumpvorgangs durch Anpassen eines Pegels einer Hilfspumpenspannung (Vp3), die zwischen der inneren Hilfspumpenelektrode (174) und der äußeren Hilfspumpenelektrode (114 oder 116) des Hilfspumpenmittels (170) angelegt wird, auf der Grundlage der Urspannung (V2).
Verfahren zur Steuerung eines Gassensors (100A), umfassend die Schritte: des Pump-Bearbeitens, unter Verwendung eines Hauptpumpenmittels (118), von in einem Messgas enthaltenem Sauerstoff, das von einem Außenraum in einen Bearbeitungsraum (110) eingebracht wird, der von einem Festelektrolyten (102f) gebildet und unterteilt ist, welcher den Außenraum kontaktiert, sodass ein Sauerstoffpartialdruck im Bearbeitungsraum (110) auf einem vorbestimmten Wert eingestellt ist, bei dem eine vorbestimmte Gaskomponente als Messobjekt nicht abspaltbar ist; des Abspaltens der vorbestimmten Gaskomponente, die im Messgas nach dem Pump-Bearbeiten durch das Hauptpumpenmittel (118) enthalten ist, mithilfe einer katalytischen Einwirkung und/oder Elektrolyse unter Verwendung eines Detektionspumpenmittels (134) zum Pump-Bearbeiten von Sauerstoff, der während der Abspaltung entstanden ist; und des Messens der im Messgas enthaltenen Gaskomponente auf der Grundlage eines Pumpstroms (Ip2), der in Abstimmung mit dem vom Detektionspumpenmittel (134) durchgeführten Pumpvorgang durch das Detektionspumpenmittel (134) fließt, worin: das Hauptpumpenmittel (118) den Festelektrolyten (102f), der den Außenraum kontaktiert, sowie eine innere Hauptpumpenelektrode (114) und eine äußere Hauptpumpenelektrode (116), die auf der inneren und der äußeren Oberfläche des Festelektrolyten (102f) gebildet sind, umfasst; das Detektionspumpenmittel (134) einen Festelektrolyten (102d, 102e, 102f) sowie eine innere Detektionspumpenelektrode (132) und eine äußere Detektionspumpenelektrode (114) umfasst, die in Kontakt mit dem Festelektrolyten (102d, 102e, 102f) gebildet sind; dadurch gekennzeichnet, dass: eine der Pumpenelektroden (114 oder 116) des Hauptpumpenmittels (118) gemeinsam mit der äußeren Detektionspumpenelektrode (114 oder 116) des Detektionspumpenmittels (134) ausgebildet ist und eingestellt ist, um ein elektrisches Basispotential aufzuweisen; und der vom Detektionspumpenmittel (134) abzupumpende Sauerstoff in Richtung der Elektrode (114 oder 116) des Hauptpumpenmittels (118), die eingestellt ist, um ein elektrisches Basispotential aufzuweisen, abgepumpt wird.
Verfahren zur Steuerung des Gassensors nach Anspruch 8, weiters umfassend die Schritte: des Messens einer Urspannung (V1), die der Differenz zwischen der in einem Referenzgas enthaltenen Menge an Sauerstoff und der Menge an Sauerstoff, die während der Abspaltung der nach dem Pump-Bearbeiten durch das Hauptpumpenmittel (118) im Messgas enthaltenen vorbestimmten Gaskomponente entsteht, entspricht, unter Verwendung eines Detektions-Konzentrationsmessmittels (140); und des Anpassens des vom Detektionspumpenmittels (118) durchgeführten Pumpvorgangs auf der Grundlage der Urspannung (V1), die vom Detektions-Konzentrationsmessmittels (140) gemessen wird.
Verfahren zur Steuerung des Gassensors nach Anspruch 8 oder 9, weiters umfassend den Schritt des Abpumpens von Sauerstoff, der im Messgas nach dem Pump-Bearbeiten durch das Hauptpumpenmittel (118) enthalten ist, in Richtung des Bearbeitungsraums (110) für das Hauptpumpenmittel (118) unter Verwendung eines Hilfspumpenmittels (170).
Verfahren zur Steuerung des Gassensors nach Anspruch 8, 9 oder 10, weiters umfassend die Schritte: des Messens einer Urspannung (V2), die der Differenz zwischen der in einem Referenzgas enthaltenen Menge an Sauerstoff und der im Messgas nach dem Pump-Bearbeiten durch das Hauptpumpenmittel (118) enthaltenen Menge an Sauerstoff entspricht, unter Verwendung eines Hilfskonzentrationsmessmittels (172); und des Anpassens des vom Hilfspumpenmittel (170) durchgeführten Pumpvorgangs auf der Grundlage der Urspannung (V2), die vom Hilfskonzentrationsmessmittel (172) gemessen wurde.
Verfahren zur Steuerung des Gassensors nach einem der Ansprüche 8 bis 11, weiters umfassend die Schritte: des Messens einer Urspannung (V0), die der Differenz zwischen der in einem Referenzgas enthaltenen Menge an Sauerstoff und der im Messgas enthaltenen Menge an Sauerstoff während des vom Hauptpumpenmittel (118) durchgeführten Pumpvorgangs entspricht, unter Verwendung eines Hauptpumpen-Konzentrationsmessmittels (126); und des Anpassens des vom Hauptpumpenmittel (118) durchgeführten Pumpvorgangs auf der Grundlage der Urspannung (V0), die vom Hauptpumpen-Konzentrationsmessmittel (126) gemessen wird.
Verfahren zur Steuerung eines Gassensors (1000), umfassend die Schritte: des Pump-Bearbeitens, unter Verwendung eines Hauptpumpenmittels (118), von im Messgas enthaltenem Sauerstoff, das von einem Außenraum in einen Bearbeitungsraum (110) eingebracht wird, der von einem Festelektrolyten (102f) gebildet und unterteilt ist, welcher den Außenraum kontaktiert, sodass ein Sauerstoffpartialdruck im Bearbeitungsraum (110) auf einem vorbestimmten Wert geregelt ist, bei dem eine vorbestimmte Gaskomponente als Messobjekt nicht abspaltbar ist; des Abspaltens der vorbestimmten Gaskomponente, die im Messgas nach dem Pump-Bearbeiten durch das Hauptpumpenmittel (118) enthalten ist, mithilfe einer katalytischen Einwirkung unter Verwendung eines Konzentrationsdetektionsmittels (190) zum Detektieren einer Urspannung (V1), die so erzeugt wird, dass sie der Differenz zwischen der in einem Referenzgas enthaltenen Menge an Sauerstoff und der während der Abspaltung entstandenen Menge an Sauerstoff entspricht; und des Messens der vorbestimmten Gaskomponente, die im Messgas enthalten ist, auf der Grundlage der Urspannung (V1), die vom Konzentrationsdetektionsmittel (190) gemessen wird, worin: das Hauptpumpenmittel (118) den Festelektrolyten (102f), der den Außenraum kontaktiert, sowie eine innere Hauptpumpenelektrode (114) und eine äußere Hauptpumpenelektrode (116), die auf der inneren und der äußeren Oberfläche des Festelektrolyten (102f) gebildet sind, umfasst; ein Hilfspumpenmittel (170) bereitgestellt ist, welches den Festelektrolyten (102f) sowie eine innere Hilfspumpenelektrode (174) und eine äußere Hilfspumpenelektrode (114 oder 116) umfasst, die in Kontakt mit dem Festelektrolyten (102f) gebildet sind; eine der Pumpenelektroden (114 oder 116) des Hauptpumpenmittels (118) gemeinsam mit der äußeren Hilfspumpenelektrode (114 oder 116) des Hilfspumpenmittels (170) ausgebildet ist, und eingestellt ist, um das elektrische Basispotential aufzuweisen; und der im Messgas nach dem Pump-Bearbeiten durch das Hauptpumpenmittel (118) enthaltene Sauerstoff unter Verwendung des Hilfspumpenmittels (170) in Richtung der Elektrode (114 oder 116) des Hauptpumpenmittel (118) abzupumpen, die eingestellt ist, um das elektrische Basispotential aufzuweisen.
Verfahren zur Steuerung des Gassensors nach Anspruch 13, weiters umfassend die Schritte: des Messens einer Urspannung (V2), die der Differenz zwischen der in einem Referenzgas enthaltenen Menge an Sauerstoff und der im Messgas nach dem Pump-Bearbeiten durch das Hauptpumpenmittel (118) enthaltenen Menge an Sauerstoff entspricht, unter Verwendung eines Hilfskonzentrationsmessmittels (172); und des Anpassens des vom Hilfspumpenmittel (170) durchgeführten Pumpvorgangs auf der Grundlage der Urspannung (V2), die vom Hilfskonzentrationsmessmittel (172) gemessen wurde.
Verfahren zur Steuerung des Gassensors nach Anspruch 13 oder 14, weiters umfassend die Schritte: des Messens einer Urspannung (V0), die der Differenz zwischen der in einem Referenzgas enthaltenen Menge an Sauerstoff und der im Messgas enthaltenen Menge an Sauerstoff während des vom Hauptpumpenmittel (118) durchgeführten Pumpvorgangs entspricht, unter Verwendung eines Hauptpumpen-Konzentrationsmessmittels (126); und des Anpassens des vom Hauptpumpenmittel (118) durchgeführten Pumpvorgangs auf der Grundlage der Urspannung (V0), die vom Hauptpumpen-Konzentrationsmessmittel (126) gemessen wird.