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DE102006062051A1 - Sensorelement mit zusätzlicher Diagnosefunktion - Google Patents

Sensorelement mit zusätzlicher Diagnosefunktion Download PDF

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Publication number
DE102006062051A1
DE102006062051A1 DE200610062051 DE102006062051A DE102006062051A1 DE 102006062051 A1 DE102006062051 A1 DE 102006062051A1 DE 200610062051 DE200610062051 DE 200610062051 DE 102006062051 A DE102006062051 A DE 102006062051A DE 102006062051 A1 DE102006062051 A1 DE 102006062051A1
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DE
Germany
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electrode
gas
gas space
resistance element
pumping
Prior art date
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Withdrawn
Application number
DE200610062051
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English (en)
Inventor
Torsten Handler
Henrico Runge
Harald Guenschel
Detlef Heimann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
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Priority to PCT/EP2007/063175 priority patent/WO2008080730A1/de
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
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Abstract

Es wird ein Verfahren zur Messung mindestens einer Gaskomponente in einem Gasraum (112) mittels eines Sensorelements (110) vorgeschlagen, wobei das mindestens eine Sensorelement (110) mindestens eine erste Elektrode (116), mindestens eine zweite Elektrode (118) und mindestens einen die mindestens zwei Elektroden (116, 118) verbindenden Festelektrolyten (114, 514) aufweist. Dabei weist die mindestens eine erste Elektrode (116) mindestens eine Mischpotentialelektrode (116; 710) auf. Die mindestens eine zweite Elektrode ist gegenüber dem Gasraum (112) abgeschirmt. Das Verfahren umfasst mindestens zwei Betriebszustände: - mindestens einen amperometrischen Betriebszustand, bei welchem eine Spannung zwischen die beiden Elektroden (116, 188) angelegt wird und ein Pumpstrom gemessen wird, und - mindestens einen potentiometrischen Messzustand, in welchem eine Spannung zwischen der mindestens einen Mischpotentialelektrode (116; 710) und der mindestens einen zweiten Elektrode (118) erfasst wird.

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung geht aus von bekannten Sensorelementen, welche auf elektrolytischen Eigenschaften bestimmter Festkörper beruhen, also der Fähigkeit dieser Festkörper, bestimmte Ionen zu leiten. Derartige Sensorelemente werden insbesondere in Kraftfahrzeugen eingesetzt, um Luft-Kraftstoff-Gasgemischzusammensetzungen zu messen. Derartige Sensorelemente sind auch unter der Bezeichnung „Lambdasonde" bekannt und spielen eine wesentliche Rolle bei der Reduzierung von Schadstoffen in Abgasen, sowohl in Ottomotoren als auch in der Dieseltechnologie.
  • Mit der so genannten Luftzahl „Lambda" (λ) wird dabei allgemein in der Verbrennungstechnik das Verhältnis zwischen einer tatsächlich angebotenen Luftmasse und einer für die Verbrennung theoretisch benötigten (d. h. stöchiometrischen) Luftmasse bezeichnet. Die Luftzahl wird dabei mittels eines oder mehrerer Sensorelemente zumeist an einer oder mehreren Stellen im Abgastrakt eines Verbrennungsmotors gemessen. Entsprechend weisen „fette" Gasgemische (d. h. Gasgemische mit einem Kraftstoffüberschuss) eine Luftzahl λ < 1 auf, wohingegen „magere" Gasgemische (d. h. Gasgemische mit einem Kraftstoffunterschuss) eine Luftzahl λ > 1 aufweisen. Neben der Kraftfahrzeugtechnik werden derartige und ähnliche Sensorelemente auch in anderen Bereichen der Technik (insbesondere der Verbrennungstechnik) eingesetzt, beispielsweise in der Luftfahrttechnik oder bei der Regelung von Brennern, z. B. in Heizanlagen oder Kraftwerken.
  • Derartige Sensorelemente sind mittlerweile in zahlreichen verschiedenen Ausführungsformen bekannt. Eine Ausführungsform ist die so genannte „Sprungsonde", deren Messprinzip auf der Messung einer elektrochemischen Potentialdifferenz zwischen einer einem Referenzgas ausgesetzten Referenzelektrode und einer dem zu messenden Gasgemisch ausgesetzten Messelektrode beruht. Referenzelektrode und Messelektrode sind über den Festelektrolyten miteinander verbunden, wobei aufgrund seiner Sauerstoffionen-leitenden Eigenschaften in der Regel dotiertes Zirkondioxid (z. B. Yttrium-stabilisiertes ZrO2) oder ähnliche Keramiken als Festelektrolyt eingesetzt werden. Theoretisch weist die Potentialdifferenz zwischen den Elektroden gerade beim Übergang zwischen fettem Gasgemisch und magerem Gasgemisch einen charakteristischen Sprung auf, welcher genutzt werden kann, um die Gasgemischzusammensetzung um den Sprungpunkt λ = 1 aktiv zu regeln. Verschiedene Ausführungsbeispiele derartiger Sprungsonden, welche auch als „Nernst-Zellen" bezeichnet werden, sind beispielsweise in DE 10 2004 035 826 A1 , DE 199 38 416 A1 und DE 10 2005 027 225 A1 beschrieben.
  • Alternativ oder zusätzlich zu Sprungsonden kommen auch so genannte „Pumpzellen" zum Einsatz, bei denen eine elektrische „Pumpspannung" an zwei über den Festelektrolyten verbundene Elektroden angelegt wird, wobei der „Pumpstrom" durch die Pumpzelle gemessen wird. Im Unterschied zum Prinzip der Sprungsonden stehen bei Pumpzellen in der Regel beide Elektroden mit dem zu messenden Gasgemisch in Verbindung. Dabei ist eine der beiden Elektroden (zumeist über eine durchlässige Schutzschicht) unmittelbar dem zu messenden Gasgemisch ausgesetzt. Die zweite der beiden Elektroden ist jedoch derart ausgebildet, dass das Gasgemisch nicht unmittelbar zu dieser Elektrode gelangen kann, sondern zunächst eine so genannte „Diffusionsbarriere" durchdringen muss, um in einen an diese zweite Elektrode angrenzenden Hohlraum zu gelangen. Als Diffusionsbarriere wird dabei zumeist eine poröse keramische Struktur mit gezielt einstellbaren Porenradien verwendet. Tritt mageres Abgas durch diese Diffusionsbarriere hindurch in den Hohlraum ein, so werden mittels der Pumpspannung Sauerstoffmoleküle an der zweiten, negativen Elektrode elektrochemisch zu Sauerstoffionen reduziert, werden durch den Festelektrolyten zur ersten, positiven Elektrode transportiert und dort als freier Sauerstoff wieder abgegeben. Die Sensorelemente werden zumeist im so genannten Grenzstrombetrieb betrieben, das heißt in einem Betrieb, bei welchem die Pumpspannung derart gewählt wird, dass der durch die Diffusionsbarriere eintretende Sauerstoff vollständig zur Gegenelektrode gepumpt wird. In diesem Betrieb ist der Pumpstrom näherungsweise proportional zum Partialdruck des Sauerstoffs im Abgasgemisch, so dass derartige Sensorelemente häufig auch als Proportionalsensoren bezeichnet werden. Im Gegensatz zu Sprungsensoren lassen sich derartige Proportionalsensoren als so genannte Breitbandsensoren über einen vergleichsweise weiten Bereich für die Luftzahl Lambda einsetzen.
  • In vielen Sensorelementen werden die oben beschriebenen Sensorprinzipien auch kombiniert, so dass die Sensorelemente ein oder mehrere nach dem Sprungsensor-Prinzip arbeitende Sensoren („Zellen") und ein oder mehrere Proportionalsensoren enthalten. So lässt sich beispielsweise das oben beschriebene Prinzip eines nach dem Pumpzellen-Prinzip arbeitenden „Einzellers" durch Hinzufügen einer Sprungzelle (Nernstzelle) zu einem „Doppelzeller” erweitern. Ein derartiger Aufbau ist beispielsweise in EP 0 678 740 B1 beschrieben. Dabei wird mittels einer Nernstzelle der Sauerstoffpartialdruck in dem oben beschriebenen, an die zweite Elektrode angrenzenden Hohlraum gemessen und die Pumpspannung durch eine Regelung so nachgeführt, dass im Hohlraum stets die Bedingung λ = 1 herrscht.
  • Breitband-Sensorelemente in Einzeller-Anordnung mit zwei dem Gasgemisch ausgesetzten Elektroden weisen jedoch verschiedene Probleme auf. So wird in der Regel bei einer festen Pumpspannung in einem mageren Gasgemisch ein positiver Pumpstrom (Magerpumpstrom) mit eindeutigem Zusammenhang zum Sauerstoffgehalt des Gasgemisches gemessen. Im fetten Gasgemisch wird jedoch in der Regel ebenfalls ein positiver Pumpstrom gemessen, selbst wenn die angelegte Pumpspannung (in der Regel ca. 600–700 mV) deutlich unterhalb der Zersetzungsspannung von Wasser (ca. 1,23 V) liegt. Dieser positive Pumpstrom ist im Wesentlichen auf den im Gasgemisch enthaltenen molekularen Wasserstoff zurückzuführen, welcher das elektrochemische Potenzial der Anode, also der ersten Elektrode, beeinflusst, da nun an der ersten Elektrode aus den aus dem Festelektrolyten austretenden Sauerstoffionen statt molekularem Sauerstoff auch Wasser gebildet werden kann. Ähnliche Effekte spielen auch für andere im Gasgemisch vorhandene Sauerstoffliefernde Redox-Systeme eine Rolle, beispielsweise CO2/CO. Der Strom ist also im Bereich fetter Gemische (Fettpumpstrom) durch den Wasserstoffgehalt im Bereich der ersten Elektrode (z. B. Anode) und den Wasserdampfgehalt (d. h. insbesondere den Zutritt des Wasserdampfes durch die oben beschriebene Diffusionsbarriere) im Bereich der zweiten Elektrode (z. B. Kathode) begrenzt. Die Problematik besteht nun insbesondere darin, dass der Fettpumpstrom und der Magerpumpstrom elektrisch dieselbe Richtung aufweisen, so dass aus dem Pumpstrom ein Rückschluss auf die Zusammensetzung des Gasgemisches kaum mehr möglich ist. Neben der beschriebenen Problematik im Bereich fetter Gemische ist auch im Bereich leicht magerer Nichtgleichgewichts-Abgase eine Verfälschung des Pumpstromes durch den Wasserstoff festzustellen, welcher in diesem Bereich bereits vorhanden ist und einen positiven Beitrag zum Pumpstrom liefert.
  • Eine weitere Problematik bekannter Breitband-Sensorelemente in Einzeller-Anordnung besteht darin, dass die Sensorelemente vorteilhafterweise auch zu Diagnosezwecken für die Überwachung von Abgasnachbehandlungskomponenten einsetzbar sein sollten. Verschärfte Gesetzbegebungen, insbesondere in den USA, im Bereich der Diagnose missionsrelevanter Bauteile, fordern im Rahmen einer so genannten „On-Board-Diagnose" (OBD) die Überwachung aller Abgasnachbehandlungskomponenten auf vorgegebene OBD-Grenzwerte, welche meist als Faktor des Emissionsgrenzwertes angegeben werden. Auch beschichtete Katalysatoren (zum Beispiel Oxidationskatalysator und NOx-Speicherkatalysator) müssen dabei auf die Wirksamkeit ihrer Beschichtung bzw. ihre Funktionsfähigkeit überprüft werden. Der Oxidationskatalysator ist verantwortlich für die Umsetzung von unverbrannten Kohlenwasserstoffen (HC) und CO. So fordert beispielsweise die OBD-II-Gesetzgebung, dass der Oxidationskatalysator auf Wirksamkeit der katalytischen Beschichtung überprüft und als defekt erkannt wird, wenn die Emission den 1,75-fachen Grenzwert übersteigt.
  • Bisherige Ansätze verwenden die Temperaturen vor und hinter dem Katalysator, um den Umsatz (exotherme Reaktion) im Katalysator abzuschätzen. Dieser Umsatz dient wiederum als Maß für die Funktionsfähigkeit der Beschichtung. Diese Verfahren können aber lediglich eine qualitative Aussage hinsichtlich der Umsatzfähigkeit des Katalysators ergeben und somit keine Grenzwertüberwachung gewährleisten. Die gesetzlichen Anforderungen lassen sich damit in der Regel nur schwer erreichen.
  • Herkömmliche Breitband-Sensorelemente in Einzeller-Anordnung sind jedoch lediglich geeignet, um, behaftet mit den obigen Schwierigkeiten der Eindeutigkeit der Kennlinie, um aus Ionenströmen auf eine Sauerstoffkonzentration zurückzuschließen, nicht hingegen, um beispielsweise Brenngaskomponenten zu messen. Zwar wäre prinzipiell auch ein (zumindest vorübergehender) Einsatz derartiger Breitband-Sensorelemente für eine Potentiometrische Messung möglich. Allerdings sind herkömmliche Sensorelemente lediglich auf Sauerstoff sensitiv und weisen als Sprungzellen einen steilen Potentialsprung bei λ = 1 auf. Außerhalb dieses Bereichs verlaufen die Potentialkennlinien nahezu flach, so dass hieraus praktisch keine Information über die Gaszusammensetzung gewonnen werden kann.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Es wird dementsprechend ein Verfahren zur Messung mindestens einer Gaskomponente eines Gasgemischs in einem Gasraum vorgeschlagen, welches die oben beschriebenen Nachteile vermeidet. Weiterhin wird eine elektronische Steuervorrichtung zur Durchführung des Verfahrens sowie ein System zur Durchführung des Verfahrens vorgeschlagen. Das Verfahren verwendet mindestens ein Sensorelement mit mindestens einer ersten Elektrode, mindestens einer zweiten Elektrode und mindestens einem die mindestens eine erste Elektrode und die mindestens eine zweite Elektrode verbindenden Elektrolyten. Eine Idee der Erfindung besteht dabei darin, einerseits eine eindeutige Pumpstrom-Kennlinie zu erzielen, indem die mindestens eine zweite Elektrode gegenüber dem mindestens einen Gasraum abgeschirmt wird. Auf diese Weise werden Brenngasreaktionen an der mindestens einen zweiten Elektrode vermieden. Eine weitere Idee der Erfindung besteht darin, die mindestens eine erste Elektrode als Brenngas-sensitive Elektrode auszugestalten. Zu diesem Zweck wird vorgeschlagen, die mindestens eine erste Elektrode derart zu gestalten, dass diese mindestens eine Mischpotential-Elektrode umfasst, welche sensitiv ist gegenüber der Gaszusammensetzung, also insbesondere sensitiv gegenüber Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid sein kann.
  • Das vorgeschlagene Verfahren umfasst dementsprechend mindestens zwei Betriebszustände: Mindestens einen amperometrischen Messzustand, in welchem zwischen die mindestens zwei Elektroden eine Pumpspannung angelegt wird und ein Pumpstrom erfasst wird, wobei vorzugsweise aus dem mindestens einen Pumpstrom auf die Konzentration mindestens einer ersten Gaskomponente im Gasgemisch geschlossen wird. Der Begriff „Konzentration" ist dabei weit auszulegen und umfasst sowohl eine Konzentration im klassischen Sinne als Teilchenzahl pro Volumeneinheit, aber auch andere mit der Konzentration korrelierbare Größen, wie beispielsweise Partialdruck, Massenprozent oder Volumenprozent, Molanteil oder ähnliches oder einfach ein Vohandensein oder Nichtvorhandensein der mindestens einen ersten Gaskomponente. Beispielsweise kann dies eine Sauerstoffkonzentration sein. Als Pumpspannungen werden üblicherweise Spannungen zwischen 300 mV und 800 mV, insbesondere zwischen 600 mV und 700 mV verwendet. Dieser amperometrische Messzustand entspricht somit dem üblichen Betriebszustand einzelliger Breitbandsonden. Weiterhin ist jedoch in dem vorgeschlagenen Verfahren mindestens ein potentiometrischer Messzustand vorgesehen, in welchem mindestens eine Spannung zwischen der mindestens einen Mischpotentialelektrode und der mindestens einen zweiten Elektrode erfasst wird. Aus der mindestens einen erfassten Spannung wird vorzugsweise auf eine Konzentration (wobei dieser Begriff wieder weit auszulegen ist, vgl. oben) mindestens einer zweiten Gaskomponente im Gasgemisch geschlossen, beispielsweise, wie oben beschrieben, auf eine Brenngaskonzentration, insbesondere Kohlenwasserstoffe und/oder Kohlenmonoxid.
  • Im Gegensatz zu den üblicherweise verwendeten Platinelektroden ist die Elektrodenfunktion (Elektrodenpotential) von Mischpotentialelektroden (Brenngas-sensitiven Elektroden, Elektroden mit nicht-Nernstschem Verhalten) nicht mehr thermodynamisch, sondern kinetisch bestimmt. Die Elektrodenpotentiale weichen von der Nernst-Gleichung ab, und es entstehen je nach Gasgemisch-Zusammensetzung Mischpotentiale. Diese Mischpotentiale führen zu Sensorsignalen, die in direkter Korrelation zu den Nicht-Gleichgewichtsabgasen, wie CO oder HC, stehen. Die Referenz im potentiometrischen Betrieb bildet die abgeschirmte, mindestens eine zweite Elektrode.
  • Insbesondere kann die mindestens eine Mischpotentialelektrode mindestens ein Elektrodenmaterial aufweisen, welches eine geringere elektrokatalytische Aktivität aufweist als Platin. Weiterhin kann auch eine Platinelektrode verwendet werden, welche eine Beimi schung eines katalytisch inaktiven oder weniger katalytisch aktiven Metalls als Platin aufweist, insbesondere Gold und/oder Silber und/oder Kupfer und/oder Blei. Derartige Metallgemische haben sich aus Kompatibilitätsgründen zum Herstellungsprozess (zum Beispiel Sinterbedingungen der Keramik) und zu den Betriebsbedingungen (Temperatur, Atmosphäre, etc.) als besonders geeignet erwiesen. Da sich beispielsweise Gold vorwiegend an einer Platin-Oberfläche anlagert, beeinflussen bereits geringe Mengen an Gold (0,1 bis 1%) die Elektrodenaktivität massiv und führen zu einer messbaren Brenngassensitivität der Elektrode. Da Gold jedoch bei üblichen Betriebstemperaturen der Sensorelemente (zum Beispiel 780°C) einen hohen Dampfdruck besitzt und teilweise abdampft, ist die Goldkonzentration so zu wählen, dass über die Lebenszeit des Sensorelements die Brenngassensitivität gewahrt bleibt. Dementsprechend werden Beimischungen von Gold, Silber, Kupfer oder Blei im Bereich zwischen 0,05 Gew.-% bis 5 Gew.-%, insbesondere zwischen 0,1 Gew.-% und 1,0 Gew.-%, vorgeschlagen.
  • Alternativ kann als Mischpotentialelektrode auch eine Oxidelektrode verwendet werden, insbesondere eine Metalloxid-Elektrode, beispielsweise auf Perowskitbasis und/oder Chromitbasis und/oder Gallatbasis. Auch Keramik-Metall-Verbundwerkstoffe lassen sich einsetzen, sowie Gemische einer Oxidkeramik mit Gold, Silber, Kupfer und/oder Blei.
  • Zur Realisierung einer Überwachung mindestens einer Funktion mindestens einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung (zum Beispiel mindestens eines Filters und/oder mindestens eines Katalysators) kann insbesondere eine der beschriebenen Sonden vor der Abgasnachbehandlungsvorrichtung und eine weitere nach der mindestens einen Abgasnachbehandlungsvorrichtung eingesetzt werden. So kann beispielsweise ein Sensorelement nach einem Abgasturbolader und ein weiteres Sensorelement nach einem Oxidationskatalysator und/oder Dieselpartikelfilter und/oder Speicherkatalysator platziert werden. Im amperometrischen Normalbetrieb wird dann die Sauerstoffkonzentration bzw. Lambda gemessen und steht in gewohnter Weise den entsprechenden Softwarefunktionen zur Verfügung. Sollten entsprechende Überwachungsbedingungen vorliegen, so kann der Betriebsmodus der Lambdasonde hin zum potentiometrischen Betrieb geändert werden, so dass beispielsweise Kohlenwasserstoff- und Kohlenmonoxidemissionen vor und nach den Katalysatoren gemessen werden können. Aus diesen Informationen lässt sich das Umsatzverhalten der Katalysatoren qualitativ und/oder quantitativ bestimmen. Die Überwachung kann entweder passiv, zum Beispiel während eines Regenerationsbetriebs (zum Beispiel eines Dieselpartikelfilters und/oder Speicherkatalysators) oder aktiv (zum Beispiel durch Temperaturregelung im Katalysator, zum Beispiel durch eine entsprechende Nacheinspritzung) durchgeführt werden.
  • Zur Erreichung der eindeutigen Pumpstromkennlinie im amperometrischen Betrieb mittels der genannten Abschirmung der mindestens einen zweiten Elektrode kann beispielsweise die mindestens eine erste Elektrode über mindestens einen Strömungswiderstandelement mit dem mindestens einen umgebenen Gasraum verbunden sein, und die mindestens eine zweite Elektrode mittels mindestens eines Diffusionswiderstandselementes. Dabei kann das mindestens eine Strömungswiderstandselement und das mindestens eine Diffusionswiderstandelement derart ausgestaltet sein, dass der Grenzstrom der mindestens einen zweiten Elektrode (üblicherweise der Pumpanode) kleiner ist als der Grenzstrom der mindestens einen ersten Elektrode. Besonders bevorzugt werden dabei Grenzströme eingestellt, bei welchen ein Verhältnis kleiner 1/100, insbesondere kleiner 1/1000, vorliegt. Vorzugsweise liegt der Grenzstrom der mindestens einen zweiten Elektrode bei 1 bis 20 μA, besonders bevorzugt bei 10 μA, und der Grenzstrom der mindestens einen ersten Elektrode bei 500 μA bis 6 mA, vorzugsweise bei 1,5 mA. Der Grenzstrom einer Elektrode ist dabei definiert als der Sättigungs-Pumpstrom, d. h. der maximale Pumpstrom, welcher bei Steigerung der Pumpspannung zwischen den mindestens zwei Elektroden erreichbar ist. Dieser Grenzstrom kann beispielsweise für Sauerstoff und Sauerstoffionentransport durch den Festelektrolyten definiert werden als derjenige Strom, welcher erreicht wird, wenn alle Sauerstoffmoleküle, welche die als Kathode betriebene Elektrode erreichen, vollständig durch den Festelektrolyten zur Anode transportiert werden. Üblicherweise wird das Sensorelement mit diesem Grenzstrom betrieben, d. h. mit einer (siehe oben) ausreichenden Pumpspannung, so dass dieser vollständige „Abtransport" ankommender Gasmoleküle erreicht wird. In diesem Betrieb ist der Pumpstrom näherungsweise proportional zur Gasmolekülkonzentration. Der Grenzstrom der entgegengesetzten Elektrode, welche zuvor als Anode betrieben wurde, wird dementsprechend experimentell durch Umpolen bestimmt, so dass nunmehr die vormalige Anode als Kathode betrieben wird.
  • Die Einstellung der Bedingung für das Grenzstromverhältnis kann insbesondere dadurch erfüllt werden, dass das mindestens eine Diffusionswiderstandselement einen größeren Diffusionswiderstand aufweist als das mindestens eine Strömungswiderstandselement. Der Diffusionswiderstand ist derjenige Widerstand, welchen ein Element einem Konzentrationsunterschied zwischen den beiden Seiten des Elements entgegensetzt und somit eine Diffusion behindert. Für diese Ausgestaltung der Diffusionswiderstände kann beispielsweise dasselbe Diffusionsmedium (zum Beispiel ein poröses Material) für das mindestens eine Diffusionswiderstandselement und das mindestens eine Strömungswiderstandselement eingesetzt werden, jedoch in unterschiedlichen Schichtdicken, so dass beispielsweise vor der mindestens einen zweiten Elektrode eine höhere Schichtdicke verwendet wird als vor der mindestens einen ersten Elektrode. Altnativ oder zusätzlich kann auch eine Einstellung der Fläche der Widerstandselemente erfolgen. Der Grenzstrom steigt zumindest nähe rungsweise proportional mit der für die Diffusion zur Verfügung stehenden Querschnittsfläche, und umgekehrt proportional mit der Länge bzw. Schichtdicke der Widerstandselemente an.
  • Vorzugsweise weist jedoch zusätzlich das mindestens eine Strömungswiderstandselement einen größeren Strömungswiderstand auf als das mindestens eine Diffusionswiderstandselement. Dabei ist der Strömungswiderstand als derjenige Widerstand definiert, welchen ein Element einer Druckdifferenz zwischen beiden Seiten des Elements entgegensetzt und damit eine Strömung zwischen beiden Seiten des Elements verhindert. Der Strömungswiderstand kann beispielsweise dadurch eingestellt werden, dass eine Porengröße eines porösen Mediums erhöht bzw. erniedrigt wird, und/oder dass ein Kanalquerschnitt, eine Kanalgeometrie oder eine Kanallänge variiert wird. Der oben beschriebene vorteilhafte Zusammenhang zwischen den Grenzströmen bewirkt den oben beschriebenen Abschirmeffekt der mindestens einen zweiten Elektrode gegenüber den reduzierenden Gasen, wie beispielsweise Wasserstoff. Besonders günstig ist es, wenn diese Abschirmung dadurch bewirkt wird, dass das mindestens eine Diffusionswiderstandselement einen Diffusionskanal aufweist, welcher die mindestens eine erste Elektrode mit dem mindestens einen Gasraum und/oder mindestens einem Referenzraum verbindet. Dieser Diffusionskanal sollte vorzugsweise eine große Länge aufweisen, d. h. eine Länge, welche groß ist gegenüber der mittleren freien Weglänge der Gasmoleküle bei der entsprechenden Betriebstemperatur des Sensorelements (beispielsweise 700 bis 800°C). Auf diese Weise lasst sich der Unterschied zwischen Gasphasendiffusion und Strömungswiderstand maximal nutzen, um eine Abschirmung der mindestens einen ersten Elektrode herbeizuführen. Hätten nämlich Gasmoleküle in dem Diffusionskanal (wobei natürlich auch mehrere Diffusionskanäle verwendet werden können) keine anderen Stoßpartner außer den Wanden des Diffusionskanals, so würde ein Transport lediglich über eine Knudsendiffusion mit gleichem Verhalten für Strömung und Diffusion auftreten. Durch die Ausgestaltung als Diffusionskanal ergibt sich hingegen ein lediglich geringer Diffusionstransport von Fettgas an die mindestens eine zweite Elektrode und somit nur ein geringer Fettpumpstrom. Vorteilhafterweise ist der mindestens eine Diffusionskanal mit einer Höhe im Bereich zwischen 2 L bis 25 L und einer Breite im Bereich von 2 L bis 25 L sowie einer Länge im Bereich zwischen 0,5 mm und 20 mm ausgestattet. Dabei ist L die mittlere freie Weglänge der Moleküle des Gasgemischs bei einem Betriebsdruck des Sensorelements, welcher üblicherweise im Bereich des Normaldrucks liegt. Diese Dimensionierung des mindestens einen Diffusionskanals hat sich als besonders günstig erwiesen, um die Diffusion von Fettgas zur mindestens einen ersten Elektrode zu verhindern.
  • Alternativ oder zusätzlich zu dem geschriebenen Abschirmungsverfahren lässt sich die mindestens eine zweite Elektrode auch dadurch abschirmen, dass diese vollständig von dem Gasraum getrennt wird. In diesem Fall kann diese mindestens eine zweite Elektrode beispielsweise mit einem Referenzgasraum verbunden werden, beispielsweise über einen Abluftkanal. Dieser Referenzgasraum ist von dem mindestens einen Gasraum vollständig abgetrennt, wobei es sich beispielsweise um einen Motorrauen handeln kann, welcher vom Abgasstrang getrennt ist. In dem mindestens einen Abluftkanal kann dann beispielsweise wieder ein poröses Element vorgesehen sein, beispielsweise wiederum eine Al2O3-Keramik.
  • Die mindestens eine erste Elektrode kann beispielsweise eine einzelne Elektrode umfassen, wobei zwischen amperometrischem und potentiometrischem Messzustand jeweils umgeschaltet werden sollte. So kann beispielsweise in diesem Fall eine Taktung erfolgen, wobei sich vorzugsweise amperometrische und potentiometrische Taktzyklen nicht überschneiden. Die Taktzyklen können beispielsweise derart gewählt werden, dass während des amperometrischen Messzustandes eine vorgegebene Menge der mindestens einen nachzuweisenden ersten Gaskomponente von der mindestens einen ersten Elektrode zu der mindestens einen zweiten Elektrode gepumpt wird, um dort während des anschließenden potentiometrischen Taktzyklus als Referenz zur Verfügung zu stehen.
  • Alternativ oder zusätzlich zu der beschriebenen Ausgestaltung der mindestens einen ersten Elektrode kann auch ein Aufbau verwendet werden, bei welchem die mindestens eine erste Elektrode neben der mindestens einen Mischpotentialelektrode weiterhin mindestens eine Pumpelektrode umfasst. Die Pumpspannung wird dann zwischen Pumpelektrode und der mindestens einen zweiten Elektrode angelegt und zwischen diesen Elektroden der Pumpstrom gemessen. Im potentiometrischen Messzustand wird hingegen die Spannung zwischen der mindestens einen Mischpotentialelektrode und der mindestens einen zweiten Elektrode gemessen. Auf diese Weise lassen sich die potentiometrischen Messungen beispielsweise zumindest zeitweise gleichzeitig zur amperometrischen Messung vornehmen.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnung
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
  • Es zeigen:
  • 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß einsetzbaren Sensorelements mit zwei Möglichkeiten der Abschirmung der Pumpanode;
  • 2 eine Pumpstromkennlinie bei abgeschirmter Anode;
  • 3 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß einsetzbaren Sensorelements mit innen liegender Pumpanode;
  • 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Sensorelements mit außen liegenden Elektroden;
  • 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Sensorelements mit innen liegenden Elektroden;
  • 6 ein Ausführungsbeispiel eines Sensorelements mit außen liegender Kathode, innen liegender Anode und Abluftkanal;
  • 7 ein Ausführungsbeispiel eines Sensorelements, bei welchem Mischpotentialelektrode und Pumpkathode getrennt sind;
  • 8A ein erstes Ausführungsbeispiel eines Systems zur Messung einer Gaskomponente; und
  • 8B ein zweites Ausführungsbeispiel eines Systems zur Messung einer Gaskomponente.
  • In 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines Sensorelements 110 dargestellt, welches für das erfindungsgemäße Verfahren einsetzbar ist. Dabei handelt es sich um ein Sensorelement 110, welches z. B. in einer Lambdasonde oder als Lambdasonde eingesetzt werden kann, um die Gaszusammensetzung (Luftzahl) in einem Gasraum 112 zu bestimmen. Das Sensorelement 110 ist in diesem Beispiel als Radialdesign ausgebildet (wobei auch Lineardesigns möglich sind), mit einem Festelektrolyten 114, auf welchem auf einander gegenüberliegenden Seiten eine innenliegende Pumpkathode 116 als erste Elektrode und eine außen, auf der dem Gasraum 112 zugewandten Seite angeordnete Pumpanode 118 als zweite Elektrode angeordnet sind. Im Betrieb werden zwischen die beiden Pumpelektroden 116, 118 Spannungen im oben beschriebenen Bereich angelegt, und ein Strom wird zwischen den beiden Elektroden 116, 118 gemessen (Pumpstrom Ip). Allgemein sei im Folgenden angenommen, dass die mindestens eine erste Elektrode als Pumpkathode 116 geschaltet wird, und die mindestens eine zweite Elektrode des Sensorelements 110 als Pumpanode 118. Auch eine andere Beschaltung ist jedoch denkbar, oder auch eine Beschaltung, bei welcher, je nach Betriebszustand, die Kathoden- und Anodenfunktion wechseln. Insbesondere wird die Bezeichnung „Pumpkathode" bzw. „Pumpanode" verwendet, unbeschadet der Möglichkeit, diese Elektroden im potentiometrischen (d. h. im Allgemeinen stromlosen) Messzustand als Potentialelektroden einzusetzen, zwischen denen die Spannung gemessen wird.
  • Die Pumpkathode 116 ist hierbei als brenngassensitive Elektrode ausgebildet und weist beispielsweise eine Platinelektrode mit einer Goldbeimischung auf. Auch andere Ausgestaltungen als Mischpotentialelektrode gemäß der obigen Beschreibung sind möglich.
  • Vor der Pumpkathode 116 ist ein Kathodenhohlraum 120 in Form eines rechteckigen Hohlraums ausgebildet. Durch ein Gaszutrittsloch 122 im Sensorelement 110 tritt Gasgemisch aus dem Gasraum 122 in das Sensorelement 110 ein und kann von dort in den Kathodenhohlraum 120 gelangen. Zwischen Gaszutrittsloch 122 und Kathodenhohlraum 120 ist dabei ein Strömungswiderstandselement 124 in Form eines porösen, dichten Materials angeordnet, welches den Grenzstrom der Pumpkathode 116 begrenzt und somit die Steigung der Pumpstromkennlinie wesentlich bestimmt.
  • Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel des Sensorelements 110 sind zwei verschiedene Möglichkeiten dargestellt, Fettgasreaktionen an der Pumpanode 118 zu unterdrücken und somit eine eindeutige Pumpstromkennlinie zu erzielen. Während im rechten Teil der Darstellung (in der 1 mit A bezeichnet) die Pumpanode 118 gegenüber dem Gasraum 112 durch ein Diffusionswiderstandselement in Form einer porösen Schutzschicht 126 abgeschirmt ist, weist die Pumpanode 118 im linken Teil dieser schematischen Darstellung (in 1 mit B bezeichnet) ein geometrisch ausgestaltetes Diffusionswiderstandselement 128 auf. Dabei ist die Pumpanode 118 von einer gasundurchlässigen Deckschicht 130 umgeben, in welcher, über der Pumpanode 118, ein rechteckiger Hohlraum 132 ausgebildet ist. Dieser Hohlraum 132 ist mit dem Gaszutrittsloch 122 über einen langen Diffusionskanal 134 verbunden, welcher in das Gaszutrittsloch 122 mündet. Für die vorteilhaften Dimensionierungen des Diffusionskanals 134 sei auf die obige Beschreibung verwiesen. An der Mündungsstelle des Diffusionskanals 134 in das Gaszutrittsloch ist eine Aufweitung 136 vorgesehen, um zu verhindern, dass der Diffusionskanal 134 durch aus dem Gasraum 112 eindringende Verschmutzungen zugesetzt wird. Durch den Diffusionskanal 134 ist es einerseits möglich, dass Sauerstoff, welcher sich an der Pumpanode 118 bildet, in den Gasraum 112 abströmen kann. Andererseits wird Brennraumgasen durch den langen Diffusionsweg ein Eindringen in den Hohlraum 132 über der Pumpanode 118 er schwert. Der Hohlraum 132 bewirkt zusätzlich eine räumliche Möglichkeit zur Abreaktion von eindringenden Brenngasen, wie beispielsweise Wasserstoff, bevor diese die Pumpanode 118 erreichen und dort unerwünschte Anodenreaktionen auslösen können.
  • Das Sensorelement 110 gemäß dem Ausführungsbeispiel in 1 lässt sich auf viele Weisen modifizieren. So kann, abweichend von dem hier dargestellten Radialdesign, auch ein lineares Design gewählt werden. Die beiden dargestellten Möglichkeiten A und B lassen sich einzeln oder auch in Kombination realisieren. Weiterhin ist in 1 zu erkennen, dass unterhalb der Pumpanode 118, Pumpkathode 116 und Festelektrolyt 114, welche zusammen eine Pumpzelle 138 bilden, ein Heizelement 140 vorgesehen ist, welches sich aus Isolatorschichten 142 und dazwischen angeordneten Heizwiderständen 144 zusammensetzt. Mittels dieses Heizelements 140, welches als Temperierelement 146 wirkt, lässt sich beispielsweise eine Betriebstemperatur des Sensorelements 110 auf typischerweise 700–800°C einstellen, wobei die Temperatur angepasst wird, um beispielsweise die elektrolytischen Eigenschaften des Festelektrolyten 114 zu optimieren.
  • In 2 ist schematisch die Auswirkung der oben beschriebenen Maßnahmen auf die Kennlinie (Pumpstrom Ip als Funktion der Luftzahl λ) des in 1 dargestellten Sensorelements 110 gezeigt. Der Pumpstrom Ip ist dabei gegen die Luftzahl λ aufgetragen. Theoretisch sollte der Pumpstrom Ip im fetten Bereich 210 bei Null liegen, also auf der λ-Achse. Bei λ = 1 und größeren λ-Werten (magerer Bereich 212) sollte der Pumpstrom Ip dann annähernd linear ansteigen mit der Luftzahl λ, was in 2 durch die theoretische Kennlinie 214 gestrichelt dargestellt ist. Tatsächlich ist in einzelligen Sensorelementen 110 mit dem Gasgemisch ausgesetzten Pumpanoden 118 jedoch die Kennlinie 216 zu beobachten, welche lediglich bei hohen λ-Werten an den theoretischen Verlauf 214 angenähert ist. Im leicht mageren Bereich, ungefähr bei λ = 1, weicht die Kennlinie 216 dann jedoch vom theoretischen Verlauf 214 ab und steigt hin zu kleineren λ-Werten sogar wieder an. Die Kennlinie 220 zeigt die in B in 1 dargestellte Pumpanode 118, bei welcher das Diffusionswiderstandselement 128 realisiert ist. Deutlich ist zu erkennen, dass diese Kennlinie 220 dem theoretischen Verlauf 214 gut angenähert ist. Somit ist auch eine Messung bis hinunter zu kleinen λ-Werten, d. h. λ-Zahlen knapp über 1, möglich.
  • In 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Sensorelements 110 dargestellt, welches wiederum eine Pumpzelle 138 mit einer Pumpkathode 116 und einer Pumpanode 118 und einem dazwischen liegenden Festelektrolyten 114 aufweist. Die Pumpkathode 116 ist wiederum, wie oben beschrieben, ganz oder teilweise aus dem brenngassensitiven Material hergestellt. Im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel gemäß 1 ist jedoch bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 die Pumpkathode 116 oben liegend auf dem Festelektroly ten 114 angeordnet, und die Pumpanode 118 innen liegend. Über der Pumpkathode 116 ist, zur Abschirmung gegenüber dem Gasraum 112, eine gasundurchlässige Deckschicht 130 angeordnet, so dass sich über der Pumpkathode 116 wiederum ein näherungsweise rechteckförmiger Kathodenhohlraum 120 ausbildet. Dieser Kathodenhohlraum 120 ist gegenüber dem Gasraum 112 durch das Strömungswiderstandselement 124 abgeschirmt, welches beispielsweise ausgestaltet ist wie im Ausführungsbeispiel gemäß 1.
  • Wiederum ist ein Gaszutrittsloch 122 vorgesehen, welches in diesem Falle jedoch nicht dem Zwecke einer Gaszuführung zur Pumpanode 118 dient (wie im Ausführungsbeispiel gemäß 1 zur Gaszuführung zur Pumpkathode 116), sondern einem Entweichen von Sauerstoff aus einem Hohlraum 132 im Inneren des Sensorelements 110, in welchem die Pumpanode 118 angeordnet ist. Dementsprechend kann das Gaszutrittsloch 122, welches in diesem Falle eben kein „Zutrittsloch" mehr ist, beispielsweise mit geringerem Querschnitt ausgestaltet werden als das Gaszutrittsloch 122 im Ausführungsbeispiel gemäß 1. Damit wird der Diffusionswiderstand zusätzlich erhöht. Das Gaszutrittsloch 122 bildet also im Ausführungsbeispiel gemäß 3 einen Teil eines Diffusionswiderstandselements 128, welches eine Diffusion von Brenngasen aus dem Gasraum 112 in den Hohlraum 132 über der Pumpanode 118 verhindert beziehungsweise verringert und gleichzeitig ein Abströmen von Sauerstoff aus dem Hohlraum 132 ermöglicht. Zusätzlich ist in 3 der Hohlraum 132 durch ein poröses Element 310, wobei es sich vorteilhafterweise um ein grobporiges, poröses Element handelt, gegenüber dem Gasraum 112 abgeschirmt.
  • In 4 ist schließlich ein drittes Ausführungsbeispiel eines Sensorelements 110 dargestellt, welches einen Schichtaufbau mit auf derselben Seite des Festelektrolyten 114 angeordneter Pumpkathode 116 und Pumpanode 118 realisiert. Wiederum bilden Pumpanode 118, Pumpkathode 116 und Festelektrolyt 114 eine Pumpzelle 138, wobei der Pumpstrom jedoch nunmehr im Wesentlichen in horizontaler Richtung, parallel zu den Schichtebenen, zwischen den Elektroden 116, 118 fließt. Über der Pumpkathode 116, welche wiederum als Mischpotentialelektrode ausgebildet ist, ist wieder ein Kathodenhohlraum 120 ausgebildet, welcher gegenüber dem Gasraum 122 durch eine gasdichte Deckschicht 130 abgeschirmt ist. Der Kathodenhohlraum 120 ist mit dem Gasraum 122 über ein Strömungswiderstandselement 124 in Form einer dichten, kleinporigen keramischen Schicht getrennt, analog zu den vorhergehenden Ausführungsbeispielen.
  • Über der Pumpanode 118 ist wiederum ein Hohlraum 132 ausgebildet, welcher ebenfalls durch die gasdichte Deckschicht 130 gegenüber dem Gasraum 122 abgetrennt ist. Der Hohlraum 132 ist durch den einen Diffusionskanal 134 vom Gasraum 122 getrennt, wobei ein poröses Element 310, analog zum Ausführungsbeispiel in 3, in den Diffusionska nal 134 eingebracht ist. Diffusionskanal 134 und poröses Element 310 wirken zusammen als Diffusionswiderstandselement 128, wobei bezüglich der Dimensionierung des Diffusionskanals 134 auf die obige Beschreibung verwiesen werden kann.
  • Weiterhin ist, wie auch in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen, auch im Ausführungsbeispiel gemäß 4 wiederum ein Heizelement 140 vorgesehen. Im Gegensatz zu den vorhergehenden Ausführungsbeispielen ist bei dieser Planaren Anordnung mit nebeneinanderliegenden Elektroden 116, 118 jedoch im Beispiel gemäß 4 eine asymmetrische Heizung realisiert, bei welcher Pumpanode 118 und Diffusionswiderstandselement 128 im räumlichen Durchschnitt mit einer Temperatur beheizt werden, welche ca. 20% unterhalb der mittleren Temperatur von Pumpkathode 116 und Strömungswiderstandselement 124 liegt. Zu diesem Zweck ist das Heizelement 140 derart angeordnet, dass dies lateral die Pumpanode 118 und das Diffusionswiderstandselement 128 nicht vollständig abdeckt, da sich das Heizelement 140 nicht in gleichem Maße zum rechten Rand des Sensorelements 110 erstreckt wie zum linken Rand. Durch diese erhöhte Betriebstemperatur auf Seiten der Pumpkathode 116 wird ein Gaseinlass, welcher in 4 symbolisch mit 410 bezeichnet ist, aus dem Gasraum 122 in den Kathodenhohlraum 120 durch das poröse Strömungswiderstandselement 124 (Diffusionsprozess) begünstigt. Gleichzeitig wird durch die niedrigere Betriebstemperatur auf Seiten der Pumpanode 118 zwar ein Ausströmen von Sauerstoff (Gasausstrom 412) aus dem Hohlraum 132 in den Gasraum 122 ermöglicht, wobei jedoch eine Diffusion von Brenngasen aus dem Gasraum 122 in den Hohlraum 132 durch den Diffusionskanal 134 und das poröse Element 310 aufgrund der geringeren Temperatur unterdrückt werden.
  • Bei den Ausführungsbeispielen in den 1, 3 und 4 ist die Pumpanode 118 zwar gegenüber dem Gasraum 112 abgeschirmt, ist jedoch dennoch mit diesem (über das Diffusionswiderstandselement 128) verbunden. Im Gegensatz dazu zeigt 5 ein ebenfalls erfindungsgemäß einsetzbares Ausführungsbeispiel eines Sensorelements 110, bei welchem die Pumpanode 118 vollständig vom Gasraum 112 getrennt ist und stattdessen über einen Abluftkanal 510 mit einem Referenzgasraum 512 verbunden ist, beispielsweise ein Motorraum eines Kraftfahrzeugs.
  • Das Sensorelement 110 weist auf der dem Gasraum 112 zugewandten Seite einen ersten Festelektrolyten 114, beispielsweise wiederum einen Yttrium-stabilisierten Zirkoniumdioxid-Elektrolyten, auf. Daneben ist ein zweiter, im Inneren des Sensorelements 110 angeordneter Festelektrolyt 514 vorgesehen. Die Festelektrolyten 114, 514 werden kontaktiert durch eine Pumpkathode 116 und eine Pumpanode 118, welche jeweils zweiteilig ausgebildet sind, mit einer oberen, den oberen Festelektrolyten 114 kontaktierenden Teilkathode 516, einer unteren Teilkathode 518, welche den unteren Festelektrolyten 514 kontaktiert einer oberen Teilanode 520, welche den oberen Festelektrolyten 114 kontaktiert und einer unteren Teilanode 522, welche wiederum den unteren Festelektrolyten 514 kontaktiert. Die beiden Teilkathoden 516 und 518 bzw. die beiden Teilanoden 520, 522 sind jeweils miteinander verbunden und bilden somit jeweils zusammen die Pumpkathode 116 bzw. die Pumpanode 118. Die Aufspaltung in mehrere Teilelektroden bewirkt eine vergrößerte Elektrodenoberfläche und somit einen verringerten Innenwiderstand des Sensorelements 110. Zwischen den Teilkathoden 516, 518 ist dabei ein Kathodenhohlraum 120 vorgesehen und zwischen den beiden Teilanoden 520, 522 ein Anodenhohlraum 132.
  • Analog zum ersten Ausführungsbeispiel gemäß 1 steht der Kathodenhohlraum 120 über ein Gaszutrittsloch und ein Strömungswiderstandselement 124 mit dem Gasraum 120 in Verbindung. Die Pumpkathode 116 ist wiederum, wie oben beschrieben, aus Brenngassensitivem Material hergestellt. Die Pumpkathode 218 wird durch eine Kathodenzuleitung 524, welche auf dem unteren Festelektrolyten 514 angeordnet ist, elektrisch kontaktiert. Über einen Kathodenanschluss 526 auf der Oberseite des Festelektrolyten 114 und eine elektrische Durchkontaktierung 528 kann die Pumpkathode 116 mit einer entsprechenden elektronischen Steuervorrichtung (vergleiche unten die 8A und 8B) verbunden werden und beispielsweise mit einer Spannung beaufschlagt werden.
  • Der Anodenhohlraum 132 ist über den Abluftkanal 510 mit dem Referenzgasraum 512 verbunden. Anodenhohlraum 132 und Abluftkanal 510 sind dabei entweder ungefüllt oder auch mit einem sauerstoffdurchlässigen porösen Füllelement 530 auf Al2O3-Basis gefüllt. In dem oben beschriebenen mindestens einen amperometrischen Messzustand, in welchem Sauerstoff von der Pumpkathode 116 zur Pumpanode 118 gepumpt wird, dient der Abluftkanal 510 dazu, Sauerstoff unter vergleichsweise geringem Strömungswiderstand zum Referenzgasraum 512 abzuleiten, so dass im Anodenhohlraum 132 kein oder nur ein geringer Überdruck entsteht. Im potentiometrischen Messzustand hingegen dienen, hier wie auch in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen, der Anodenhohlraum 132 und der Abluftkanal 510, jeweils mit dem porösen Füllelement 530, als Luftreferenz zur potentiometrischen Bestimmung des Potentialunterschieds zwischen den Elektroden 116, 118.
  • Die Pumpanode 118 ist über eine Anodenzuleitung 532 elektrisch kontaktiert und über eine weitere elektrische Durchkontaktierung 534 im Festelektrolyten 114 mit einem auf der Oberseite des Festelektrolyten 114 angeordneten Anodenanschluss 536 verbunden. Über diesen Anodenanschluss 536 kann die Pumpanode 118 beispielsweise mit ebenfalls mit der elektronischen Steuervorrichtung (siehe unten die 8A und 8B) verbunden werden, so dass beispielsweise (im amperometrischen Messzustand) zwischen Pumpanode 118 und Pumpkathode 116 eine Spannung (beispielsweise eine konstante Spannung) angelegt werden kann und/oder ein Pumpstrom gemessen werden kann. Anodenzuleitung 532 und Kathodenzuleitung 524 sind dabei in dem Ausführungsbeispiel gemäß 5 nebeneinander liegend angeordnet und durch den Abluftkanal 510 gegeneinander getrennt. Alternativ kann auch eine übereinander liegende Anordnung der Zuleitung 524, 532 realisiert werden.
  • Unterhalb des unteren Festelektrolyten 514 ist wiederum ein Heizelement 140 angeordnet, in welchem ein Heizwiderstand 144 zwischen zwei Isolatorschichten 142 eingebettet ist. Der Heizwiderstand 144 kann über Durchkontaktierungen 538 in einem Trägersubstrat 540 und Heizkontakte 542 elektrisch kontaktiert und mit einem Heizstrom beaufschlagt werden. Beispielsweise kann dieser Heizstrom mit einer Regelung geregelt werden, welche beispielsweise einen konstanten Innenwiderstand des Sensorelements 110 einstellt.
  • Auch mittels der in 5 dargestellten Anordnung des Sensorelements 110 mit vollständig gegenüber dem Gasraum 112 abgeschirmter Pumpanode 118 kann die in 2 dargestellte eindeutige Kennlinie 220 realisiert werden. Beim Einsatz als Lambda-Sonde wird dabei im mageren Bereich 212 ein Pumpstrom entsprechend dem Sauerstoffpartialdruck gemessen, im fetten Bereich 210 hingegen kein Strom, da kein freier Sauerstoff vorliegt und da die gewählte Pumpspannung vorteilhafterweise unterhalb der Zersetzungsspannung des Wassers liegt. Somit kann eine Brenngasoxidation an der innen liegenden, abgeschirmten, Brenngas-blinden Pumpanode 118 auftreten. Dadurch lässt sich ein kostengünstiges, als Einzeller aufgebautes Sensorelement 210 realisieren, welches beispielsweise auch für den Einsatz in Dieselfahrzeugen geeignet ist.
  • In 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Sensorelements 110 dargestellt, welches erfindungsgemäß eingesetzt werde kann. Dieses Sensorelement 110 kombiniert Wesensmerkmale der Ausführungsbeispiele gemäß den 3 und 5. So weist das Sensorelement 110 wiederum einen Festelektrolyten 114 auf, wobei, analog zum Ausführungsbeispiel in 3, auf der dem Gasraum 112 zugewandten Seite des Festelektrolyten 114 eine Pumpkathode 116 angeordnet ist, und auf der dem Gasraum 112 abgewandten, innen liegenden Seite des Festelektrolyten 114 eine Pumpanode 118. Die Pumpkathode 116 ist dabei wiederum als Mischpotentialelektrode ausgebildet, mit in diesem Ausführungsbeispiel einer Cermet-Elektrode 610 und einem Kontaktrahmen 612. Analog zum Ausführungsbeispiel in 3 ist die Kathode durch eine gasundurchlässige Deckschicht 130 gegenüber dem Gasraum 112 abgeschirmt, wobei wiederum ein Strömungswiderstandselement 124 vorgesehen ist, welches ein Eindringen von Gasgemisch aus dem Gasraum 112 in den Kathodenhohlraum 120 ermöglicht. Die Pumpkathode 116 wird wiederum durch eine Katho denzuleitung 524, welche auf der Oberseite des Festelektrolyten 114 angeordnet ist, sowie einen Kathodenanschluss 526 elektrisch kontaktiert.
  • Im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel gemäß 3 steht die innen liegende Pumpanode 118 jedoch nicht über ein Gaszutrittsloch 122 mit dem Gasraum 112 in Verbindung, sondern ist, analog zum Ausführungsbeispiel in 5, vollständig vom Gasraum 112 getrennt und steht über einen Abluftkanal 510 mit einem Referenzgasraum 512 in Verbindung. Unterhalb der Pumpkathode 118 ist wiederum ein Anodenhohlraum 132 vorgesehen. Anodenhohlraum 132 und Abluftkanal 510 sind wiederum mit einem porösen Füllelement 530 gefüllt. Analog zur obigen Beschreibung der 5 dient, je nach Messzustand, der Abluftkanal 510 bzw. der Anodenhohlraum 132 zur Abfuhr von Sauerstoff aus dem Anodenbereich bzw. als Referenzgasraum für eine potentiometrische Messung.
  • Die Pumpanode 118 wird wiederum über eine Anodenzuleitung 532, eine elektrische Durchkontaktierung 534 und einen Anodenanschluss 536 auf der Oberfläche des Festelektrolyten 114 elektrisch kontaktiert. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Anodenzuleitung 532 und der Abluftkanal 510 teilweise überlappend ausgebildet. Der Aufbau des Sensorelements 110 gemäß dem Ausführungsbeispiel in 6 bietet im Wesentlichen dieselben Vorteile wie der Aufbau gemäß 5, wobei jedoch auf eine der technisch aufwendigen Durchkontaktierungen im oberen Festelektrolyten 114 verzichtet werden kann.
  • Die Ausführungsbeispiele des Sensorelements 110 gemäß den 1, 3, 4, 5 und 6 weisen als erste Elektrode lediglich die Pumpkathode 116 auf. Diese Pumpkathode 116 wird somit sowohl im amperometrischen Messzustand eingesetzt (lediglich in diesem Fall handelt es sich um eine echte „Pumpelektrode") als auch im potentiometrischen Messzustand. Da amperometrische Messung und potentiometrische Messung nur schwer gleichzeitig durchführbar sind, wird in der Regel der oben beschriebene getaktete oder zyklische Betrieb eingesetzt, in welchem zwischen den Messzuständen umgeschaltet wird.
  • In 7 ist demgegenüber ein Ausführungsbeispiel dargestellt, in welchem Pumpkathode 116 und Mischpotentialelektrode 710 als getrennte Elektroden ausgebildet sind. Dabei entspricht der Aufbau des Sensorelements 110 im Wesentlichen dem Aufbau des Sensorelements 110 gemäß 5, so dass bezüglich der einzelnen Elemente und des Aufbaus weitgehend auf die obige Beschreibung zu dieser Figur verwiesen werden kann. Wiederum sind zweiteilige, nebeneinander liegend, innen liegende Pumpelektroden 116, 118 vorgesehen, wobei die Pumpkathode 116 über ein Gaszutrittsloch 122 und ein Strömungswiderstandselement 124 mit Gasgemisch aus dem Gasraum beaufschlagt werden kann. In diesem Fall ist die Pumpkathode 116 jedoch vorzugsweise aus einem üblichen, d. h. nicht- Brenngas-sensitivem Material, wie beispielsweise Platin (oder ein Platin-Cermet) hergestellt. Wie im Ausführungsbeispiel gemäß 5 ist die Pumpkathode 118 vollständig gegenüber dem Gasraum 112 abgeschirmt und über einen Abluftkanal 510 mit dem Referenzgasraum 512 verbunden.
  • Zusätzlich zur Pumpkathode 116 weist das Sensorelement 110 gemäß 7 auf der Oberseite des oberen, dem Gasraum 112 zugewandten Festelektrolyten 114 die beschriebene Mischpotentialelektrode 710 auf, welche derart angeordnet ist, dass sich diese in ihrer senkrechten Projektion zumindest teilweise mit der Pumpanode überlappt. Die Mischpotentialelektrode 710 weist eines der oben beschriebenen Brenngas-sensitiven Elektrodenmaterialien auf. Die Mischpotentialelektrode 710 ist über eine Mischpotentialelektrodenzuleitung 712, welche ebenfalls auf der Oberfläche des Festelektrolyten 114 angeordnet ist, mit einem Potentialkontakt 714 verbunden, so dass das Sensorelement 110 nun auf seiner Oberfläche 3 Elektrodenkontakte 526, 536 und 714 aufweist.
  • Während sich in den vorhergehenden Beispielen die Pumpzelle und die Potentialzelle jeweils bauteilidentisch aus den Elektroden 116, 118 und den Festelektrolyten 114, 514 zusammensetzten, sind Pumpzelle und Potentialzelle nunmehr getrennt. Während die Pumpzelle nach wie vor aus den Elektroden 116, 118 und den Festelektrolyten 114, 514 gebildet wird, bilden die Mischpotentialelektrode 710, der obere Festelektrolyt 114 und die Pumpanode 118 nunmehr zusätzlich die Potentialzelle.
  • In den 8A und 8B sind zwei Ausführungsbeispiele von Systemen 810 dargestellt, mittels derer mit Hilfe der oben beschriebenen Sensorelemente 110 mindestens eine Gaskomponente eines Gasgemischs im Gasraum 112 gemessen werden kann. Das System 810 weist jeweils mindestens ein Sensorelement 110 auf, beispielsweise eines der oben beschriebenen Sensorelemente. Vorzugsweise werden dabei mehrere Sensorelemente 110 eingesetzt, beispielsweise Sensorelemente im Abgasstrang vor und nach entsprechenden Abgasnachbehandlungsvorrichtungen. Zur Vereinfachung ist hier jedoch nur ein Sensorelement 110 dargestellt. Dabei zeigt das Ausführungsbeispiel gemäß 8A ein Beispiel, bei welchem ein Sensorelement 110 verwendet wird, bei welchem die mindestens eine erste Elektrode 116 einstückig ausgebildet ist. Im Ausführungsbeispiel gemäß 8B ist hingegen die erste Elektrode zweistückig ausgebildet, mit einer Mischpotentialelektrode 710, welche von der Pumpkathode 116 getrennt angeordnet ist, analog beispielsweise zum Ausführungsbeispiel gemäß 7.
  • Das erfindungsgemäße System 810 umfasst, neben den mindestens einen Sensorelement 110, eine elektronisch Steuervorrichtung 812, welche in diesen Figuren lediglich schema tisch und symbolisch dargestellt ist. Die elektronische Steuervorrichtung 812 kann beispielsweise als integraler Bestandteil des Sensorelements 110 ausgebildet sein, als separates Bauteil, oder sie kann dezentralisiert und teilweise in das Sensorelement 110 integriert ausgebildet sein.
  • Die elektronische Steuervorrichtung umfasst eine amperometrische Messvorrichtung 814 und eine potentiometrische Messvorrichtung 816. Die amperometrische Messvorrichtung weist eine Spannungsquelle 818 auf, beispielsweise eine regelbare Spannungsquelle, mittels derer in dem mindestens einen amperometrischen Messzustand die Pumpelektroden 116, 118 mit einer Pumpspannung beaufschlagt werden können. Weiterhin ist eine Strommessvorrichtung 820 vorgesehen, mittels derer in dem mindestens einen amperometrischen Messzustand der Pumpstrom Ip gemessen werden kann. Pumpspannungsquelle 818 und Strommessvorrichtung 820 werden von einer zentralen Steuereinheit 822 angesteuert bzw. ausgelesen, welche beispielsweise elektronische Bauteile und/oder einen Mikrocomputer enthalten kann.
  • Die potentiometrische Messvorrichtung weist eine Spannungsmessvorrichtung 824 auf. Während bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 8A die Spannungsmessvorrichtung 824 die Spannung zwischen den beiden Pumpelektroden 116, 118 misst, erfolgt in dem Ausführungsbeispiel gemäß 8B eine Messung zwischen der Mischpotentialelektrode 710 und der Pumpanode 118, wobei letztere in diesem Fall nicht als Pumpelektrode fungiert, sondern als Potentialelektrode. Auch die potentiometrische Messvorrichtung 816 wird über die zentrale Steuereinheit 822 angesteuert und ausgelesen. Die zentrale Steuereinheit 822 steht über eine Schnittstelle 826 mit anderen Komponenten in Verbindung, so dass beispielsweise Regelsignale zur Ansteuerung eines Verbrennungsmotors und/oder von Abgasnachbehandlungsvorrichtungen von der elektronischen Steuervorrichtung 812 abgegeben werden können, oder dass die elektronische Steuervorrichtung 812 von außen entsprechend angesteuert werden kann, um beispielsweise in einem Regenerationsbetrieb eines Katalysators den potentiometrischen Messzustand einzustellen, und in einem Normalbetrieb des Kraftfahrzeugs den amperometrischen Messzustand. Weiterhin kann die elektronische Steuervorrichtung 812 auch eine Einrichtung zum Takten der Messzustände enthalten, beispielsweise um einen regelmäßigen Wechsel zwischen einem amperometrischen und einem potentiometrischen Messzustand einzustellen. Die von der elektronischen Steuervorrichtung 812 gewonnenen Informationen können beispielsweise im Rahmen einer On-Board-Diagnose (OBD) verwendet werden, von einer zentralen Motorsteuerung zur Steuerung des Verbrennungsmotors eingesetzt werden und/oder über einen Bordcomputer an einen Fahrer übermittelt werden. Auf diese Weise kann beispielsweise eine Fehlfunktion eines Katalysators, d. h. ein Überschreiten vorgegebener Grenzwerte hinsichtlich zum Bei spiel einer Brenngasemission, unmittelbar erkannt und eine entsprechende Warnung ausgegeben werden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 102004035826 A1 [0003]
    • - DE 19938416 A1 [0003]
    • - DE 102005027225 A1 [0003]
    • - EP 0678740 B1 [0005]

Claims (19)

  1. Verfahren zur Messung mindestens einer Gaskomponente eines Gasgemischs in einem Gasraum (112), wobei mindestens ein Sensorelement (110) mit mindestens einer ersten Elektrode (116), mindestens einer zweiten Elektrode (118) und mindestens einem die mindestens eine erste Elektrode (116) und die mindestens eine zweite Elektrode (118) verbindenden Festelektrolyten (114, 514) eingesetzt wird, wobei die mindestens eine erste Elektrode (116) mindestens eine Mischpotentialelektrode (116; 710) umfasst und mit dem Gasgemisch beaufschlagbar ist, wobei die mindestens eine zweite Elektrode (118) gegenüber dem Gasraum (112) abgeschirmt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren mindestens zwei Betriebszustände umfasst: – mindestens einen amperometrischen Messzustand, wobei zwischen die mindestens eine erste Elektrode (116) und die mindestens eine zweite Elektrode (118) eine Pumpspannung angelegt wird, wobei mindestens ein zwischen der mindestens einen ersten Elektrode (116) und der mindestens einen zweiten Elektrode (118) fließender Pumpstrom erfasst wird; und – mindestens einen potentiometrischen Messzustand, wobei mindestens eine Spannung zwischen der mindestens einen Mischpotentialelektrode (116; 710) und der mindestens einen zweiten Elektrode (118) erfasst wird.
  2. Verfahren gemäß dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem mindestens einen Pumpstrom auf die Konzentration mindestens einer ersten Gaskomponente im Gasgemisch geschlossen wird und dass aus der mindestens einen erfassten Spannung auf eine Konzentration mindestens einer zweiten Gaskomponente im Gasgemisch geschlossen wird.
  3. Verfahren gemäß einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Mischpotentialelektrode (116; 710) mindestens eine der folgenden Eigenschaften aufweist: – die mindestens eine Mischpotentialelektrode (116; 710) weist mindestens ein Elektrodenmaterial mit einer geringeren elektrokatalytischen Aktivität auf als Platin; – die mindestens eine Mischpotentialelektrode (116; 710) weist eine Platinelektrode auf, mit einer Beimischung eines katalytisch inaktiven Metalls, insbesondere von Gold und/oder Silber und/oder Kupfer und/oder Blei, insbesondere im Bereich zwischen 0,05 Gew.-% bis 5 Gew.-%, besonders bevorzugt zwischen 0,1 Gew.-% und 1,0 Gew.-%; – die mindestens eine Mischpotentialelektrode (116; 710) weist eine Platinelektrode auf, mit einer zumindest teilweisen Bedeckung durch ein katalytisch inaktives Me tall, insbesondere Gold und/oder Silber und/oder Kupfer und/oder Blei, wobei die zumindest teilweise Bedeckung vorzugsweise unvollständig ist; – die mindestens eine Mischpotentialelektrode (116; 710) weist ein Oxid, insbesondere ein Metalloxid, auf, insbesondere ein Metalloxid auf Perowskitbasis und/oder Chromitbasis und/oder Gallatbasis; – die mindestens eine Mischpotentialelektrode (116; 710) weist einen Keramik-Metall-Verbundwerkstoff auf; – die mindestens eine Mischpotentialelektrode (116; 710) weist ein Gemisch aus mindestens einer Oxidkeramik und mindestens einem der folgenden Metalle auf: Gold, Silber, Kupfer, Blei.
  4. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine erste Elektrode (116) über mindestens ein Strömungswiderstandselement (124) mit dem mindestens einen Gasraum (112) verbunden ist, wobei die mindestens eine zweite Elektrode (118) über mindestens ein Diffusionswiderstandselement (128) mit dem mindestens einen Gasraum (112) und/oder mindestens einem Referenzgasraum (512) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Strömungswiderstandselement (124) und das mindestens eine Diffusionswiderstandselement (128) derart ausgestaltet sind, dass der Grenzstrom der mindestens einen zweiten Elektrode (118) kleiner ist als der Grenzstrom der mindestens einen ersten Elektrode (116).
  5. Verfahren gemäß dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Strömungswiderstandselement (124) und das mindestens eine Diffusionswiderstandselement (128) derart ausgestaltet sind, dass das mindestens eine Strömungswiderstandselement (124) einen größeren Strömungswiderstand aufweist als das mindestens eine Diffusionswiderstandselement (128).
  6. Verfahren gemäß einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Diffusionswiderstandselement (128) einen größeren Diffusionswiderstand aufweist als das mindestens eine Strömungswiderstandselement (124).
  7. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Grenzstrom der mindestens einen zweiten Elektrode (118) kleiner ist als 1/100 des Grenzstroms der mindestens einen ersten Elektrode (116) und vorzugsweise kleiner ist als 1/1000 des Grenzstroms der mindestens einen ersten Elektrode (116).
  8. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Grenzstrom der mindestens einen zweiten Elektrode (118) 1 bis 20 Mikroampere beträgt, vorzugsweise 10 Mikroampere, und dass der Grenzstrom der mindestens einen ersten Elektrode (116) 500 Mikroampere bis 6 Milliampere beträgt, vorzugsweise 1,5 Milliampere.
  9. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine erste Elektrode (116) neben der mindestens einen Mischpotentialelektrode (116; 710) mindestens eine Pumpelektrode (116) umfasst, wobei die Pumpspannung in dem mindestens einen amperometrischen Messzustand zwischen die mindestens eine Pumpelektrode (116) und die mindestens eine zweite Elektrode (118) angelegt wird, wobei der mindestens eine Pumpstrom zwischen der mindestens einen Pumpelektrode (116) und der mindestens einen zweiten Elektrode (118) gemessen wird und wobei in dem mindestens einen potentiometrischen Messzustand die mindestens eine Spannung zwischen der mindestens einen Mischpotentialelektrode (116; 710) und der mindestens einen zweiten Elektrode (118) gemessen wird.
  10. Verfahren gemäß dem vorhergehenden Anspruch und einem der Ansprüche 3–7, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Pumpelektrode (116) von dem mindestens einen Gasraum (112) getrennt ist durch das mindestens eine Strömungswiderstandselement (124).
  11. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine amperometrische Messzustand und der mindestens eine potentiometrische Messzustand zumindest zeitweise gleichzeitig verwendet werden.
  12. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine amperometrische Messzustand und der mindestens eine potentiometrische Messzustand zumindest zeitweise getaktet eingesetzt werden, wobei die Taktzyklen derart gewählt werden, dass während des amperometrischen Messzustandes eine vorgegebene Menge der mindestens einen nachzuweisenden ersten Gaskomponente von der mindestens einen ersten Elektrode (116) zu der mindestens einen zweiten Elektrode (118) gepumpt wird, um dort während des mindestens einen potentiometrischen Messzustandes als Referenz zu fungieren.
  13. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der potentiometrische Messzustand verwendet wird, um mindestens eine Information über mindestens eine Funktion mindestens einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung zu generieren, wobei die mindestens eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung insbesondere mindestens einen Katalysator und/oder mindestens einen Filter aufweist.
  14. Verfahren gemäß dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der potentiometrische Messzustand während eines Regenerationsbetriebes der mindestens einen Abgasnachbehandlungsvorrichtung eingesetzt wird.
  15. Verfahren gemäß einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Information eingesetzt wird, um die mindestens eine Funktion zu regeln.
  16. Verfahren gemäß einem der drei vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Sensorelemente (110) eingesetzt werden, wobei mindestens ein erstes Sensorelement (110) im Abgasstrang vor der mindestens einen Abgasnachbehandlungsvorrichtung eingesetzt wird und mindestens ein zweites Sensorelement (110) im Abgasstrang nach der mindestens einen Abgasnachbehandlungsvorrichtung.
  17. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Sensorelement (110) mindestens einen der nachfolgenden Schichtaufbauten aufweist: – die mindestens eine erste Elektrode (116) und die mindestens eine zweite Elektrode (118) sind auf einer dem mindestens einen Gasraum (112) zugewandten Seite des mindestens einen Festelektrolyten (114, 514) angeordnet, wobei die mindestens eine erste Elektrode (116) über mindestens ein Strömungswiderstandselement (124) mit dem mindestens einen Gasraum (112) verbunden ist, wobei die mindestens eine zweite Elektrode (118) über mindestens ein Diffusionswiderstandselement (128) mit dem mindestens einen Gasraum (112) verbunden ist; – die mindestens eine erste Elektrode (116) ist im Inneren des mindestens einen Sensorelements (110) angeordnet und mit dem mindestens einen Gasraum (112) über mindestens ein Gaszutrittsloch (122) und mindestens ein Strömungswiderstandselement (124) verbunden, wobei die mindestens eine zweite Elektrode (118) auf der dem mindestens einen Gasraum (112) zugewandten Seite des mindestens einen Festelektrolyten (114, 514) angeordnet ist und mit dem mindestens einen Gasraum (112) über mindestens ein Diffusionswiderstandselement (128) verbunden ist; – die mindestens eine erste Elektrode (116) und die mindestens eine zweite Elektrode (118) sind im Inneren des mindestens einen Sensorelements (110) angeordnet, wobei die mindestens eine erste Elektrode (116) mit dem mindestens einen Gasraum (112) über mindestens ein Gaszutrittsloch (122) und mindestens ein Strömungswi derstandselement (124) verbunden ist und wobei die mindestens eine zweite Elektrode (118) von dem mindestens einen Gasraum (112) abgeschirmt und mit mindestens einem Referenzgasraum (512) verbunden ist; – die mindestens eine zweite Elektrode (118) ist im Inneren des mindestens einen Sensorelements (110) angeordnet und mit dem mindestens einen Gasraum (112) über mindestens ein Gaszutrittsloch (122) und mindestens ein Diffusionswiderstandselement (128) verbunden, wobei die mindestens eine erste Elektrode (116) auf der dem mindestens einen Gasraum (112) zugewandten Seite des mindestens einen Festelektrolyten (114, 514) angeordnet ist und mit dem mindestens einen Gasraum (112) über mindestens ein Strömungswiderstandselement (124) verbunden ist; – die mindestens eine zweite Elektrode (118) ist im Inneren des mindestens einen Sensorelements (110) angeordnet und mit mindestens einem Referenzgasraum (512) über mindestens ein Gaszutrittsloch (122) verbunden, wobei die mindestens eine erste Elektrode (116) auf der dem mindestens einen Gasraum (112) zugewandten Seite des mindestens einen Festelektrolyten (114, 514) angeordnet ist und mit dem mindestens einen Gasraum (112) über mindestens ein Strömungswiderstandselement (124) verbunden ist; – die mindestens eine erste Elektrode (116) umfasst mindestens eine auf einer dem mindestens einen Gasraum (112) zugewandten Seite des mindestens einen Festelektrolyten (114, 514) angeordnete Mischpotentialelektrode (116; 710) und mindestens eine im Inneren des mindestens einen Sensorelements (110) angeordnete Pumpelektrode (116), wobei die mindestens eine Pumpelektrode (116) mit dem mindestens einen Gasraum (112) über mindestens ein Gaszutrittsloch (122) und mindestens ein Strömungswiderstandselement (124) verbunden ist und wobei die mindestens eine zweite Elektrode (118) von dem mindestens einen Gasraum (112) abgeschirmt und mit mindestens einem Referenzgasraum (512) verbunden ist.
  18. Elektronische Steuervorrichtung (812) zur Steuerung mindestens eines Sensorelementes (110), umfassend Mittel (814, 816, 818, 820, 822, 824, 826) zur Durchführung eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1–17.
  19. System zur Messung mindestens einer Gaskomponente eines Gasgemischs in einem Gasraum (112), umfassend mindestens eine elektronische Steuervorrichtung (812) gemäß dem vorhergehenden Anspruch und mindestens ein Sensorelement (110).
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