DE19716173A1 - Prüfung des Leckstroms bei planaren Lambdasonden - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Prüfung des Leckstroms einer Sauerstoffsonde, insbesondere einer planaren Lambdasonde, welche mindestens ein Heizelement, eine Außen- und eine Innenelektrode und einen zwischen diesen Elektroden angeordneten Festkörperelektrolyt aufweist, wobei das Heizele­ ment mit einer ersten Spannung beaufschlagt wird.

Stand der Technik

Verfahren zur Prüfung des Leckstroms von Lambda­ sonden sind bekannt. Allgemein weisen Lambdasonden zwei Elektroden auf, zwischen denen ein Festkörper­ elektrolyt eingebracht ist. Des weiteren ist ein Heizelement vorgesehen, das durch eine Isolations­ schicht elektrisch von den beiden Elektroden iso­ liert ist. Weist diese Isolationsschicht eine oder mehrere elektrische Leckstellen auf, wird zwischen dem Heizelement und einer der Elektroden ein Leck­ strom ausgebildet, der sich dem Meßstrom bei der Messung der Sauerstoffkonzentration in der Lambda­ sonde überlagert und somit das Meßergebnis ver­ fälscht.

Zur Messung dieses Leckstroms wird üblicherweise das Heizelement mit einer Spannung beaufschlagt und der Strom über die, auch als Außenelektrode be­ zeichnete Elektrode gemessen. Sie wird dazu über einen Strommesser mit Masse verbunden. Weist die Isolation zwischen dem Heizelement und dieser Außenelektrode eine elektrische Leckstelle auf, so stellt sich am Strommesser nach Anlegen der Span­ nung an das Heizelement ein Wert ein, der, falls dieser über einem Grenzwert liegt, auf eine Leck­ stelle hinweist. Dieser Leckstrom, der sich nach einem Einschwingvorgang einstellt, bildet den qua­ sistationären Leckstrom, der nachfolgend als Leck­ strom bezeichnet wird.

Nachteilig an diesem Verfahren ist, daß sich an der Leckstelle der Isolationsschicht O^2--Ionen zu einer Raumladung sammeln. Zwischen der Raumladung und dem Heizelement bildet sich ein elektrische Feld aus, das dem zwischen dem Heizelement und der Außenelek­ trode aufgebauten Feld entgegengerichtet ist und folglich den zur Außenelektrode abfließenden Ionen­ strom verringert. Dadurch können kleinere Leckstel­ len in der Isolation nicht detektiert werden.

Ein weiterer Nachteil dieses Verfahrens ergibt sich daraus, daß die Außenelektrode und ein Anschluß des Heizelements auf einem gemeinsamen Potential lie­ gen. Dadurch können Leckstellen in der Nähe dieses Anschlusses des Heizelementes aufgrund des fehlen­ den Potentialunterschieds nicht detektiert werden.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren mit den in Anspruch 1 genannten Merkmalen hat demgegenüber den Vorteil, daß der Leckstrom wesentlich größer und die Posi­ tion der Leckstelle durch eine Verfärbung an der Oberfläche der Lambdasonde lokalisierbar ist. Dazu wird die Außenelektrode oder die Innenelektrode mit einer zweiten Spannung beaufschlagt, die größer als die an das Heizelement angelegte Spannung ist. Dies hat zur Folge, daß sich keine Raumladung an der Isolationsschicht bildet. Vielmehr wandern die O^2--Ionen dem elektrischen Feld folgend von der Leckstelle der Isolation zur Außenelektrode bezie­ hungsweise Innenelektrode. Der meßbare Leckstrom wird also nicht durch eine Raumladung verringert und weist deshalb einen wesentlich größeren Wert auf. Es werden gegenüber dem bekannten Verfahren 10- bis 100-fach größere Leckströme gemessen. Dadurch wird es vorteilhafterweise möglich, auch kleinere Leckstellen in der Isolationsschicht zu detektie­ ren.

Ein weiterer Vorteil ergibt sich daraus, daß durch die positive Spannung zwischen der Elektrode und dem Heizelement Leckstellen über den gesamten Be­ reich der Isolationsschicht insbesondere auch im Bereich des Masseanschlusses des Heizelements auf­ grund des stets vorhandenen Potentialunterschieds detektierbar sind.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfah­ rens besteht darin, daß die zur Außenelektrode wan­ dernden O^2--Ionen eine Reduktionsreaktion im Fest­ körperelektrolyt bewirken und eine Schwarzfärbung desselben hervorrufen, die sich bis zur Oberfläche der Lambdasonde ausbildet und somit auf die Posi­ tion der Leckstelle in der Isolation hinweist. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es mithin in vorteilhafter Weise möglich, sowohl Leck­ stellen an jeder Position der Isolation zu lokali­ sieren, als auch, bedingt durch den höheren Leck­ strom, kleine Leckstellen zu detektieren.

Zeichnung

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausfüh­ rungsbeispiels mit Bezug auf eine Zeichnung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt dabei eine Ex­ plosionsdarstellung einer Lambdasonde und den Meß­ aufbau.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Die Figur zeigt den prinzipiellen Schichtaufbau ei­ ner Lambdasonde 1, der für das erfindungsgemäße Verfahren wesentlich ist. Die Lambdasonde 1 weist eine annähernd rechteckförmige untere Abdeckung 3, beispielsweise in Form einer Folie, und ein in ei­ ner darüberliegenden Schicht angeordnetes Heizele­ ment 5 auf, das ebenfalls als Folie ausgebildet sein kann. Auf diesem sind mäanderförmig verlau­ fende Leiterbahnen 7 ausgebildet, die das Heizele­ ment 5 bilden und mit als Leiterbahnen ausgebilde­ ten Anschlüssen 9 und 11 elektrisch verbunden sind. Über dem Heizelement 5 ist eine Isolationsschicht 13 und ein Festkörperelektrolyt 14 angeordnet. Der Isolationsschicht 13 kommt die Aufgabe zu, das Heizelement 5 gegenüber einer über der Isolations­ schicht 13 angeordneten ersten Elektrode 15 zu iso­ lieren. Im weiteren Schichtverlauf der Lambdasonde 1 folgt dieser Elektrode 15 ein weiterer Festkör­ perelektrolyt 19 und eine zweite Elektrode 21, die im folgenden als Außenelektrode bezeichnet wird.

Zu der auch als Innenelektrode bezeichneten Elek­ trode 15 führen Leitungen 22, die durch eine Isola­ tionsschicht 17 vom Festkörperelektrolyt 19 elek­ trisch getrennt sind. Die beiden Elektroden- 15 und 21 bilden zusammen mit dem Festkörperelektrolyt 19 jenen Teil der Lambdasonde 1, der zur Messung der Sauerstoffkonzentration eines Gases dient. Die Außenelektrode 21 wird von einer Abdeckung 23 abge­ deckt, die als obere Begrenzung der Lambdasonde 1 dient.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Messung des Leckstroms sieht vor, daß an die Anschlüsse 9, 11 des Heizelements 5 eine von einer Gleichspannungs­ quelle 25 gelieferte Spannung U₁ von beispielsweise 15 V angelegt wird, wobei der Anschluß 11 auf Masse liegt. Mit dieser Spannung wird der zu charakteri­ sierende Bereich des Festkörperelektrolyts auf eine Arbeitstemperatur von etwa 600°-800°C erwärmt. Die zweite Elektrode 21 wird durch eine weitere Gleichspannungsquelle 27 mit einer Spannung U₂ be­ aufschlagt, die bezogen auf Masse vorzugsweise um die Zersetzungsspannung des Festkörperelektrolyt größer als die Spannung U₁ ist und beispielsweise 30 V beträgt. Hieraus ergibt sich also ein Potenti­ alunterschied zwischen Außenelektrode und einer be­ liebigen Stelle des Heizelements 5 von ≦ 15 V, wo­ bei der Potentialunterschied etwa 30 V zwischen Elektrode und Heizelement im Bereich des Massean­ schlusses und etwa 15 V im Bereich des positiven Anschlusses 9 beträgt. Für das erfindungsgemäße Verfahren ist es wichtig, daß die Spannung U₂ so gewählt wird, daß der Potentialunterschied zwischen Meßelektrode (Außen- oder Innenelektrode) und einer beliebigen Stelle des Heizelements 5 größer der Zersetzungsspannung des Festkörperelektrolyt ist.

In die Verbindung von Spannungsquelle 27 zur zwei­ ten Elektrode 21 ist zusätzlich ein Strommesser 29 geschaltet, der der Messung des Leckstroms dient. Im Falle einer Leckstelle in der Isolationsschicht 13 bewirken die beiden Spannungen U₁, U₂ bezie­ hungsweise der positive Potentialunterschied zwi­ schen der Außenelektrode und dem Heizelement 5 fol­ gendes:
Bedingt durch die erwähnte Potentialdifferenz bil­ det sich ein elektrisches Feld zwischen der Außen­ elektrode 21 und dem Heizelement 5 aus. Der aus ZrO₂ bestehende Festkörperelektrolyt 19 besitzt eine hohe Ionenleitfähigkeit, so daß Zr⁴⁺ und O_2--Io­ nen im elektrischen Feld entstehen. Die Leck­ stelle in der Isolationsschicht 13 führt zu einer elektrischen Verbindung des Festkörperelektrolyt 19 mit dem Heizelement 5 und bewirkt einen Strom von geladenen Teilchen zum Heizelement 5. Gleichermaßen wandern die O^2--Ionen dem elektrischen Feld folgend zur Außenelektrode, werden dort unter Abgabe von je zwei Elektronen in atomaren Sauerstoff umgesetzt und diffundieren durch die gasdurchlässige Abdec­ kung 23 als Sauerstoff nach außen. Die abgegebenen Elektronen fließen dann über die Spannungsquelle 27 ab, wobei dieser Strom vom Strommesser 29 als Leck­ strom detektierbar ist. Durch die Abgabe des Sauer­ stoffs entsteht im Festkörperelektrolyt 19 eine hohe Konzentration von Sauerstoffleerstellen, die als Schwarzfärbung bis an die Oberfläche der Lamb­ dasonde 1 sichtbar ist. Da dieser in der Lambda­ sonde 1 entstehende Pfad im wesentlichen geradlinig verläuft, läßt sich von der Position der äußeren sichtbaren Schwarzfärbung auf die Position der Leckstelle schließen.

Claims (5)

1. Verfahren zur Prüfung des Leckstroms einer Sau­ erstoffsonde, insbesondere einer planaren Lambda­ sonde, welche mindestens ein Heizelement, eine Außen- und eine Innenelektrode und einen zwischen diesen Elektroden angeordneten Festkörperelektrolyt aufweist, wobei das Heizelement mit einer ersten Spannung beaufschlagt wird, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Elektroden (21) mit einer zweiten Spannung (U₂) beaufschlagt wird, die so ge­ wählt ist, daß der Potentialunterschied zwischen der Elektrode (21) und zumindest einem Bereich des Heizelements (5) positiv ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die zweite Spannung (U₂) größer als die erste Spannung (U₁) ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die zweite Spannung (U₂) größer gewählt wird als die Summe aus der ersten Spannung (U₁) und einer Zersetzungsspannung des Festelek­ trolyt (19).

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die erste Spannung (U₁) so gewählt wird, daß der Festkörperelektrolyt am zu charakterisie­ renden Bereich auf 600-800°C erwärmt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß mittels einer externen Heizeinrichtung an dem zu charakterisierenden Bereich des Festkör­ perelektrolyts eine Temperatur von 600-800°C ein­ gestellt wird, wobei die erste Spannung (U₁) gleich 0 und die zweite Spannung (U₂) größer als oder gleich der Zersetzungsspannung ist.