DE69734140T2

DE69734140T2 - Gas Sensor

Info

Publication number: DE69734140T2
Application number: DE69734140T
Authority: DE
Inventors: Nobuhide Ama-gun Kato; Yasuhiko Nagoya-city Hamada
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1996-12-20
Filing date: 1997-12-10
Publication date: 2006-06-29
Anticipated expiration: 2017-12-11
Also published as: DE69734140D1; JPH10232220A; EP0849591B1; US6083370A; JP3796333B2; EP0849591A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gassensor zur Messung von Oxiden, wie etwa NO, NO₂, SO₂, CO₂ und H₂O, die beispielsweise in Atmosphärenluft und in aus Fahrzeugen oder Kraftfahrzeugen ausgestoßenen Abgasen enthalten sind.
Beschreibung des Stands der Technik
Bisher wurden verschiedene Messsysteme und -vorrichtungen zur Bestimmung der Konzentration einer vorbestimmten Gaskomponente in einem Messgas vorgeschlagen.
Beispielsweise umfasst ein zur Messung von NO_x in einem Messgas, etwa einem Verbrennungsgas, bekanntes Verfahren eine Methode, bei der die Fähigkeit von Rh zur Reduktion von NO_x genutzt wird, wobei ein Sensor benutzt wird, der eine Pt-Elektrode und eine Rh-Elektrode, welche auf einem sauerstoffionenleitenden Festelektrolyten, etwa Zirconiumdioxid, zur Messung einer zwischen den beiden Elektroden erzeugten elektromotorischen Kraft ausgebildet sind, umfasst.
Beim oben beschriebenen Sensor stellt sich das folgende Problem: Die elektromotorische Kraft ändert sich stark in Abhängigkeit der Sauerstoffkonzentration, die in einem als Messgas verwendeten Verbrennungsgas enthalten ist. Zudem ist die Änderung der elektromotorischen Kraft in Bezug auf die Änderung der NO_x-Konzentration klein. Aus diesem Grund neigt der herkömmliche Sensor dahin gehend, durch Rauschen beeinflusst zu werden. Außerdem ist es zur Nutzung der Fähigkeit zur Reduktion von NO_x notwendig, ein Reduktionsgas, wie etwa CO, zu verwenden. Daher ist die Menge an erzeugtem CO im Allgemeinen kleiner als die unter Magerverbrennungsbedingungen erzeugte Menge an NO_x, unter der eine große NO_x-Menge entsteht. Somit weist der herkömmliche Sensor den Nachteil auf, dass die Durchführung der Messung für ein unter einer derartigen Verbrennungsbedingung erzeugtes Verbrennungsgas unmöglich ist.
Ein System wurde beispielsweise in den offengelegten japanischen Patentschriften Nr. 63-38154 und 64-39545 geoffenbart, in denen ein Paar aus einer elektrochemischen Pumpzelle und einer Sensorzelle, die eine Pt-Elektrode und einen sauerstoffionenleitenden Festelektrolyten umfassen, mit einem weiteren Paar aus einer elektrochemischen Pumpzelle und einer Sensorzelle, die eine Rh-Elektrode und einen sauerstoffionenleitenden Festelektrolyten umfassen, kombiniert sind, um NO_x gemäß einem Unterschied zwischen den jeweiligen Pumpwerten zu messen.
Zudem offenbaren die offengelegten japanischen Patentschriften Nr. 1-277751 und Nr. 2-1543 das folgende Verfahren: Zwei Paare aus elektrochemischen Pumpzellen und Sensorzellen werden hergestellt. Der Pumpgrenzstrom wird bei einem Sauerstoffpartialdruck gemessen, bei dem NO_x nicht reduziert wird, indem ein Sensor verwendet wird, der eines der Paare aus Pumpzellen und Sensorzellen umfasst, und der Pumpgrenzstrom wird bei einem Sauerstoffpartialdruck gemessen, bei dem NO_x reduziert wird, indem ein Sensor verwendet wird, der das andere Paar aus Pumpzellen und Sensorzellen umfasst, sodass die Differenz zwischen den Pumpgrenzströmen bestimmt werden kann. Diese Differenz wird gemessen, indem ein Sensor, der ein Paar aus Pumpzelle und Sensorzelle umfasst, verwendet wird, während der Sauerstoffpartialdruck in einem Messgas zwischen einem Sauerstoffpartialdruck, bei dem NO_x reduziert wird, und einem Sauerstoffpartialdruck, bei dem NO_x nicht reduziert wird, umgeschaltet wird.
Der aus dem oben beschriebenen Sensor erhaltene Ausgabewert impliziert im Prinzip eine starke Temperaturabhängigkeit, weshalb eine Temperaturkompensation durchgeführt werden muss. Die Temperatur des Gassensors wird mit dem Wechselstromwiderstand (Impedanz) des Gassensors korreliert. Spezifisch wird die Impedanz gesenkt, wenn die Temperatur des Gassensors angehoben wird.
Ein Verfahren der konstanten Widerstandsregelung, das auf der Verwendung einer Messbrücke basiert, wurde bisher als Methode zur Durchführung der Temperaturkompensation für den Gassensor herangezogen. Gemäß dem Verfahren der konstanten Widerstandsregelung wird der Gesamtwiderstand einer Heizvorrichtung (= Widerstand des wärmeerzeugenden Abschnitts der Heizvorrichtung + Widerstand des Wärmeleitungsabschnitts der Heizvorrichtung) auf der Grundlage der Temperatur eines Messgases gesteuert.
Wie oben beschrieben wurde, wird beim Verfahren der konstanten Widerstandsregelung der Gesamtwiderstand der Heizvorrichtung geregelt. Dementsprechend wird bei der Anhebung des Widerstandswerts des im Element enthaltenen Wärmeleitungsabschnitts der Heizvorrichtung in Übereinstimmung mit einem Anstieg der Temperatur des Messgases die Regelung ausgeführt, sodass der Widerstandswert des wärmeerzeugenden Abschnitts der Heizvorrichtung abnimmt. In der Folge tritt ein Phänomen auf, bei dem die Ausgangsleistung der Heizvorrichtung gesenkt wird.
Bei einem derartigen System ergeben sich die folgenden Nachteile: Die Temperatur an einem Abschnitt zum Abfühlen der vorbestimmten Gaskomponente kann von einem vorbestimmten geplanten Wert abweichen. In der Folge tritt bei der Ausgabecharakteristik des Gassensors das Phänomen auf, dass der Detektionsstromwert in Bezug auf die Konzentration der vorbestimmten Gaskomponente verschoben wird. Spezifisch steigt der Detektionsstromwert in Bezug auf einen vorgeschriebenen Detektionsstromwert, der auf der Grundlage der Konzentration der vorbestimmten Gaskomponente erwartet wird, mit ansteigender Temperatur an, wodurch die Genauigkeit der Detektion abnimmt.
Um das obgenannte Problem zu lösen, ist es notwendig, den Widerstandswert des Wärmeleitungsabschnitts auf einen kleinst möglichen Wert zu senken, wodurch sich das Problem stellt, dass die Freiheit hinsichtlich der Verkabelungsanordnung eingeschränkt ist.
Bisher wurde als Alternative zum oben beschriebenen Verfahren der konstanten Widerstandsregelung ein Gassensor vorgeschlagen, der ein Mittel zum Messen der Impedanz eines Gassensors sowie eine Stromsteuereinheit zur Steuerung des Anlegens von elektrischem Strom an eine Heizvorrichtung umfasst, sodass die Impedanz des Gassensors konstant ist (vgl. beispielsweise die offengelegte japanische Patentschrift Nr. 58-178248). Im oben beschriebenen Gassensor wird eine elektrische Stromquelle mit einem Wechselstrom überlagert, während ein Schaltkreis zur Detektion der Impedanz, die dieser entsprechend erzeugt wird, bereitgestellt ist. Somit wird der der Heizvorrichtung zugeführte Strom gesteuert, sodass die Impedanz konstant ist.
Weiters wurde bisher ein Gassensor vorgeschlagen, in dem nur eine Gleichstromkomponente positiv rückkopplungsgesteuert ist, um auf der Grundlage einer detektierten Impedanz eine Schwingung in einem Stromsteuersystem (Rückkopplungssystem) einer Heizvorrichtung zu verhindern (vgl. beispielsweise die japanische Gebrauchsmusterveröffentlichungsschrift Nr. 7-45004).
In diesem Fall eines Gassensors, der ein herkömmliches Heizvorrichtungs-Stromsteuersystem umfasst, fließt aber der Wechselstrom zur Detektionselektrode hin, welche zur Detektion der vorbestimmten Gaskomponente eingesetzt wird. Dadurch tritt der Wechselstrom als Rauschen auf, woraus sich die Befürchtung ergibt, dass das Signal-Rausch-Verhältnis der Detektionsausgabe verschlechtert ist.
Die US-A Nr. 4.505.805 zeigt einen Gassensor (Sauerstoffdetektor), in dem eine Heizvorrichtung und eine Sauerstoffkonzentrationszelle (Messelektrode und Referenzelektrode auf einem Zirconiumdioxidkörper) kombiniert sind. Zudem liegt eine Pumpzelle mit Elektroden auf einem porösen Zirconiumdioxidkörper vor. Die Impedanz der Konzentrationszelle wird mithilfe eines Widerstands und dem Anlegen eines Wechselstroms gemessen. Aus dieser Impedanz wird die Temperatur der Zelle bestimmt, und mithilfe einer Rückkopplungssteuerung kann diese Temperatur konstant gehalten werden.
Die EP-A Nr. 400.627 und Nr. 678.740 zeigen NO_x-Sensoren mit einer Pumpzelle in einem ersten Innenraum und einer Detektionszelle in einem zweiten Innenraum. Entfernt von den Elektroden der Zellen ist eine Heizvorrichtung angeordnet.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung wurde unter Berücksichtigung der vorangegangenen Probleme entwickelt; eines ihrer Ziele besteht in der Bereitstellung eines Gassensors, der es ermöglicht, eine sich in Abhängigkeit von der Temperatur eines Messgases ergebenden Veränderung in der Detektionsausgabe zu unterdrücken, und der es ermöglicht, ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis der Detektionsausgabe zu erhalten.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Gassensors, der es zusätzlich zur obgenannten Anforderung ermöglicht, die Temperatur an einer Seite eines Hauptpumpmittels und die Temperatur an einer Seite eines Messpumpmittels (oder eines Konzentrationsdetektionsmittels) in einem Sensorelement zu überwachen, und der es ermöglicht, die Temperatur im Sensorelement höchst präzise zu regeln.
Außerdem ist ein Ziel der Erfindung, einen Gassensor bereitzustellen, der es zusätzlich zur obgenannten Anforderung ermöglicht, die Temperatur in einem Sensorelement, insbesondere die Temperatur in der Nähe einer Detektionselektrode, auf konstante und genaue Weise zu regeln, und der es ermöglicht, Ausgabenänderungen in der Detektionsausgabe weiter zu unterdrücken.
Noch ein Ziel der Erfindung ist die Bereitstellung eines Gassensors, der es zusätzlich zur obgenannten Anforderung ermöglicht, ein vereinfachtes Steuerkreissystem einzusetzen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Gassensor so wie in Anspruch 1 dargelegt bereitgestellt.
Im Sensor der vorliegenden Erfindung wird die im Messgas, das aus dem Außenraum zugeführt wird, enthaltene vorbestimmte Gaskomponente zunächst einer Pumpbearbeitung (Einpumpen und/oder Auspumpen) unterzogen, die vom Hauptpumpmittel durchgeführt wird. So wird die vorbestimmte Gaskomponente auf eine bestimmte Konzentration eingestellt.
Im Messgas, dessen Sauerstoffkonzentration durch das Hauptpumpmittel eingestellt wurde, wird im nächsten Schritt in das Umwandlungsmittel zur Erzeugung elektrischer Signale eingeführt. Das Umwandlungsmittel zur Erzeugung elektrischer Signale erzeugt durch Umwandlung ein elektrisches Signal, das der Menge der im Messgas nach der Pumpbearbeitung durch das Hauptpumpmittel enthaltenen vorbestimmten Gaskomponente entspricht. Die Menge der spezifizierten Komponente im Messgas wird auf der Grundlage des vom Umwandlungsmittel zur Erzeugung elektrischer Signale zugeführten elektrischen Signals gemessen.
Ist das Umwandlungsmittel zur Erzeugung elektrischer Signale aus dem Messpumpmittel und dem Stromdetektionsmittel aufgebaut, so wird das Messgas, dessen Sauerstoffkonzentration durch das Hauptpumpmittel eingestellt wurde, in das Messpumpmittel eingeführt.
Das Messpumpmittel pumpbearbeitet die vorbestimmte Gaskomponente des Messgases auf der Grundlage der zwischen der Detektionselektrode und der Referenzelektrode angelegten Spannung. Der Pumpstrom, der im Messpumpmittel erzeugt wird, entspricht der Menge der vorbestimmten Gaskomponente, die vom Messpumpmittel pumpbearbeitet wird, wird durch das Stromdetektionsmittel detektiert. Die Menge der spezifizierten Komponente im Messgas wird auf der Grundlage eines erhaltenen detektierten Werts bestimmt.
Alternativ dazu wird, wenn das Umwandlungsmittel zur Erzeugung elektrischer Signale ein Konzentrationsdetektionsmittel und ein Spannungsdetektionsmittel umfasst, das Messgas, dessen Sauerstoffkonzentration durch das Hauptpumpmittel eingestellt wurde, im nächsten Schritt in das Konzentrationsdetektionsmittel eingeführt.
Das Konzentrationsdetektionsmittel erzeugt eine elektromotorische Kraft, die der Differenz zwischen einer Menge der vorbestimmten Gaskomponente, die im Messgas nach der Pumpbearbeitung durch das Hauptpumpmittel enthalten ist, und einer Menge der vorbestimmten Gaskomponente, die in einem Referenzgas an der Seite der Referenzelektrode vorhanden ist, entspricht.
Die elektromotorische Kraft wird vom Spannungsdetektionsmittel, das stromabwärts bereitgestellt ist, detektiert, und die Menge der spezifizierten Gaskomponente im Messgas wird auf der Grundlage eines erhaltenen detektierten Werts bestimmt.
Der oben beschriebene Detektionsvorgang wird ausgeführt, während zumindest das Hauptpumpmittel und das Messpumpmittel sowie das Hauptpumpmittel und das Konzentrationsdetektionsmittel mithilfe der Heizvorrichtung erwärmt werden. Dementsprechend wird die Menge der vorbestimmten Gaskomponente mit höchster Genauigkeit (hinsichtlich der Detektion des Pumpstroms und der Erzeugung der elektromotorischen Kraft) durch das Messpumpmittel und das Konzentrationsdetektionsmittel detektiert.
Während des Zeitraums, während dessen der obige Vorgang durchgeführt wird, wird der Impedanzwert zwischen der an der Seite des Hauptpumpmittels angeordneten Elektrode und der an der Seite des Umwandlungsmittels zur Erzeugung elektrischer Signale (des Messpumpmittels oder des Konzentrationsdetektionsmittels) angeordneten Elektrode mithilfe des Impedanzdetektionsmittels detektiert. Das Anlegen von elektrischem Strom an die Heizvorrichtung wird mithilfe des Heizungssteuerungsmittels geregelt.
Spezifisch wird bei der Anhebung der Temperatur des Messgases über eine vorbestimmte Temperatur und der Senkung des Impedanzwerts die Steuerung so ausgeführt, dass die Menge der an die Heizvorrichtung angelegten Spannung gesenkt oder das Anlegen von Spannung an die Heizvorrichtung abgebrochen wird. Dementsprechend wird die Temperatur im Sensorelement schrittweise gesenkt.
Im Gegensatz dazu wird bei der Senkung der Temperatur des Messgases unter eine vorbestimmte Temperatur und der Anhebung des Impedanzwerts die Steuerung so ausgeführt, dass die Menge der an die Heizvorrichtung angelegten Spannung angehoben oder mit dem Anlegen von Spannung an die Heizvorrichtung begonnen wird. Dementsprechend wird die Temperatur im Sensorelement schrittweise angehoben. Somit kann die Temperatur im Sensorelement konstant gehalten werden, indem das Anlegen von elektrischer Spannung an die Heizvorrichtung auf der Grundlage des Impedanzwerts gesteuert wird.
Deshalb ist es bei der vorliegenden Erfindung im Vergleich mit dem herkömmlichen Verfahren der konstanten Widerstandssteuerung nicht notwendig, einen Gassensor mit einem strengen Widerstandsverhältnis zwischen dem Widerstandswert des Wärmeleitungsabschnitts und dem Widerstandswert des Wärmeerzeugungsabschnitts der Heizvorrichtung herzustellen. Zudem ist es möglich, die Beeinflussung der Temperatur des Messgases zu verhindern, die sonst durch den Anstieg des Widerstandswerts des Wärmeleitungsabschnitts auftreten würde. Im Besonderen wird in der vorliegenden Erfindung der Impedanzwert zwischen der an der Seite des Hauptpumpmittels bereitgestellten Elektrode und der an der Seite des Umwandlungsmittels zur Erzeugung elektrischer Signale (des Messpumpmittels oder des Konzentrationsdetektionsmittels) bereitgestellten Elektrode detektiert. Dementsprechend ist es möglich, die Temperatur an der Seite des Hauptpumpmittels und die Temperatur der Seite des Umwandlungsmittels zur Erzeugung elektrischer Signale im Sensorelement zu überwachen. Somit ist eine höchst präzise Steuerung der Temperatur im Sensorelement möglich.
Im wie oben beschrieben konstruierten Gassensor ist es bevorzugt, dass das Elektrodenpaar, das der Impedanzdetektion durch das Impedanzdetektionsmittel unterzogen wird, die Detektionselektrode nicht umfasst.
In dieser Ausführungsform wird das Messpumpmittel als Umwandlungsmittel zur Erzeugung elektrischer Signale verwendet, und die an das Messpumpmittel angelegte Spannung ist frei von Veränderungen, die durch die Detektion verursacht werden.
Demgemäß ist es möglich, beispielsweise die Überlagerung der vom Stromdetektionsmittel detektierten elektromotorischen Kraft durch Rauschen und Schwankungen zu verhindern.
Wird das Konzentrationsdetektionsmittel als Umwandlungsmittel zur Erzeugung elektrischer Signale verwendet, so ist die im Konzentrationsdetektionsmittel erzeugte elektromotorische Kraft frei von Veränderungen, die durch die Detektion verursacht werden. Demgemäß ist es möglich, beispielsweise die Überlagerung der von Spannungsdetektionsmittel detektierten elektromotorischen Kraft (Spannung) durch Rauschen und Schwankungen zu verhindern.
Mit anderen Worten ist es im Gassensor gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, Veränderungen in der Detektionsausgabe zu unterdrücken, die sonst in Abhängigkeit von der Temperatur des Messgases verursacht werden würden, und es ist möglich, ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis der Detektionsausgabe zu erzielen.
Vorzugsweise umfasst der Gassensor gemäß vorliegender Erfindung gegebenenfalls ein Konzentrationsmessmittel zur Erzeugung einer elektromotorischen Kraft, die der Differenz zwischen einer Menge der vorbestimmten Gaskomponente, die während der vom Hauptpumpmittel durchgeführten Pumpbearbeitung im Messgas enthalten ist, und einer Menge der vorbestimmten Gaskomponente, die in einem die Referenzelektrode kontaktierenden Referenzgas enthalten ist, entspricht; sowie ein Hauptpumpsteuermittel zur Anpassung des Pegels einer zwischen der inneren Pumpelektrode und der äußeren Pumpelektrode auf der Grundlage der Spannung der elektromotorischen Kraft.
Demgemäß erzeugt das Konzentrationsmessmittel die elektromotorische Kraft, die der Differenz zwischen der Menge der vorbestimmten Gaskomponente, die während der vom Hauptpumpmittel durchgeführten Pumpbearbeitung im Messgas enthalten ist, und einer Menge der vorbestimmten Gaskomponente, die in dem an der Seite der Referenzelektrode vorhandenen Referenzgas enthalten ist, entspricht. Der Pegel der Steuerspannung, die zwischen der inneren Pumpelektrode und der äußeren Pumpelektrode des Hauptpumpmittels angelegt wird, wird auf der Grundlage der elektromotorischen Kraft mithilfe des Hauptpumpsteuermittels angepasst.
Das Hauptpumpmittel pumpbearbeitet die im Messgas, welches von Außenraum eingeführt wird, enthaltene vorbestimmte Gaskomponente in einer Menge, die dem Pegel der Steuerspannung entspricht. Wird die pegelangepasste Steuerspannung dem Hauptpumpmittel zugeführt, so wird die Konzentration der im Messgas enthaltenen vorbestimmten Gaskomponente einer Rückkopplungssteuerung unterzogen, um den vorbestimmten Pegel zu erreichen.
In der vorliegenden Erfindung kann die im Konzentrationsmessmittel erzeugte elektromotorische Kraft eine Klemmenspannung sein, die zumindest zwischen der Referenzelektrode und der Messelektrode, die in der Nähe des Hauptpumpmittels ausgebildet ist, erzeugt wird. Alternativ dazu ist die elektromotorische Kraft eine Klemmenspannung, die zumindest zwischen der Referenzelektrode und der inneren Pumpelektrode des Hauptpumpmittels erzeugt wird.
Im Besonderen wird in der Erfindung, in der die Klemmenspannung zwischen der Referenzelektrode und der inneren Pumpelektrode unter Verwendung des Konzentrationsmessmittels gemessen wird, die Klemmenspannung zwischen der Referenzelektrode und der inneren Pumpelektrode des Hauptpumpmittels ohne jedwede Zeitverzögerung geändert, wenn sich die Pumpmenge der vorbestimmten Gaskomponente, ausgeführt vom Hauptpumpmittel, und die Konzentration der vorbestimmten Gaskomponente im Messgas ändern. Dementsprechend tritt in der Rückkopplungssteuerung kein Schwingungsphänomen auf.
In der oben beschriebenen Erfindung ist es zudem bevorzugt, dass das Impedanzdetektionsmittel einen Wechselstromerzeugungsschaltkreis zur Zufuhr eines Wechselstroms zwischen dem Elektrodenpaar, das der Detektion unterzogen wird, und einem Signaldetektionsschaltkreis zur Detektion eines Spannungssignals mit einem Pegel, welcher der durch die Zufuhr des Wechselstroms zwischen dem Elektrodenpaar erzeugten Impedanz zwischen dem Elektrodenpaar entspricht, umfasst, und dass das Heizungssteuerungsmittel eine Komparatorschaltung zum Vergleichen eines Referenzpegels mit dem Pegel des Spannungssignals, das vom Signaldetektionsschaltkreis des Impedanzdetektionsmittels zugeführt wird, und einen Schaltkreis zur Ausführung einer Ein-/Aus-Steuerung für das Anlegen von elektrischer Spannung an die Heizvorrichtung auf der Grundlage des Ergebnisses des von der Komparatorschaltung ausgeführten Vergleichs, umfasst.
Dementsprechend wird zunächst der Wechselstrom zwischen den der Detektion unterzogenen Elektroden mithilfe des Wechselstromerzeugungsschaltkreises des Impedanzdetektionsmittels eingespeist. Das Spannungssignal, dessen Pegel der Impedanz zwischen den Elektroden entspricht, wird durch die Zufuhr des Wechselstroms zwischen den Elektroden erzeugt. Das Spannungssignal wird vom Signaldetektionsschaltkreis detektiert. Das vom Signaldetektionsschaltkreis detektierte Spannungssignal wird dem Heizungssteuerungsmittel zugeführt, das stromabwärts angeordnet ist. Im Heizungssteuerungsmittel wird zunächst die Komparatorschaltung herangezogen, um den Pegel des zugeführten Spannungssignals mit dem Referenzpegel zu vergleichen. Das von der Komparatorschaltung erhaltene Ergebnis des Vergleichs wird dem Schaltkreis zugeführt, der stromabwärts angeordnet ist. Der Schaltkreis steuert das Anlegen elektrischer Spannung an die Heizvorrichtung auf der Grundlage des zugeführten Ergebnisses des Vergleichs.
Spezifisch unterbricht der Schaltkreis das Anlegen von elektrischer Spannung an die Heizvorrichtung, wenn die Impedanz zwischen den Elektroden mit Ausnahme der Detektionselektrode in Übereinstimmung mit einem Temperaturanstieg des Messgases abnimmt und das Ergebnis des Vergleichs beispielsweise die Tatsache anzeigt, dass "der Pegel des Spannungssignals niedriger als der Referenzpegel" ist. Dementsprechend wird die Temperatur im Sensorelement schrittweise gesenkt.
Im Gegensatz dazu beginnt der Schaltkreis das Anlegen von elektrischer Spannung an die Heizvorrichtung, wenn die Impedanz zwischen den Elektroden mit Ausnahme der Detektionselektrode in Übereinstimmung mit einem Temperaturabnahme des Messgases zunimmt und das Ergebnis des Vergleichs beispielsweise die Tatsache anzeigt, dass "der Pegel des Spannungssignals höher als der Referenzpegel" ist. Dementsprechend wird die Temperatur im Sensorelement schrittweise angehoben.
Die Temperatur im Sensorelement erreicht durch den Vorgang, der wie oben beschrieben ausgeführt wird, rasch eine konstante Temperatur.
Vorzugsweise ist beim wie oben beschrieben konstruierten Gassensor der Signaldetektionsschaltkreis mit einem Filterkreis ausgestattet, um das zwischen dem Elektrodenpaar erzeugte Wechselstromsignal in ein Spannungssignal mit einem Pegel umzuwandeln, der der Impedanz zwischen den Elektroden entspricht. Beispielsweise können ein Tiefpassfilter und ein Bandpassfilter als Filterkreis eingesetzt werden.
Vorzugsweise ist beim wie oben beschrieben konstruierten Gassensor der Wechselstromerzeugungsschaltkreis so verdrahtet und angeschlossen, dass der Wechselstrom nicht nur zwischen dem Elektrodenpaar, sondern auch dem Widerstand zugeführt wird, der so dimensioniert ist, dass er einen einer normalen Impedanz zwischen den Elektroden entsprechenden Widerstandswert aufweist, und dass der Signaldetektionsschaltkreis einen ersten Detektionsschaltkreis zur Umwandlung des zwischen den Elektroden erzeugten Wechselstroms in ein Spannungssignal mit einem Pegel, der der Impedanz zwischen den Elektroden entspricht und einen zweiten Detektionsschaltkreis zur Umwandlung eines im Widerstand erzeugten Wechselstromsignals in ein Spannungssignal mit einem Pegel, der der Impedanz des Widerstands entspricht, um als Referenzsignal verwendet zu werden, sowie einen Differenzschaltkreis zur Bestimmung der Differenz zwischen dem vom ersten Detektionsschaltkreis ausgegebenen Spannungssignal und dem vom zweiten Detektionsschaltkreis ausgegebenen Referenzsignal und zur Ausgabe der Differenz als Abweichungssignalumfasst.
Dementsprechend wird zunächst der Wechselstrom mithilfe des Wechselstromerzeugungsmittels des Impedanzdetektionsmittels zwischen den Elektroden mit Ausnahme der Detektionselektroden eingespeist, wobei gleichzeitig der Wechselstrom auch dem Widerstand zugeführt wird, der auf einen der normalen Impedanz zwi schen den Elektroden entsprechenden Widerstandswert eingestellt ist. Die Zufuhr von Wechselstrom zwischen den Elektroden ermöglicht die Zufuhr des zwischen den Elektroden erzeugten Wechselstromsignals an den ersten Detektionsschaltkreis, und das Signal wird beispielsweise in ein Gleichstrom-Spannungssignal mit einem der Impedanz zwischen den Elektroden entsprechenden Pegel umgewandelt. Andererseits ermöglicht die Zufuhr von Wechselstrom zum Widerstand die Zufuhr des im Widerstand erzeugten Wechselstroms zum zweiten Detektionsschaltkreis, und das Signal wird beispielsweise in ein Gleichstrom-Spannungssignal (Referenzsignal) mit einem der Impedanz des Widerstands entsprechenden Pegel umgewandelt.
Das vom ersten Detektionsschaltkreis ausgegebene Spannungssignal und das vom zweiten Detektionsschaltkreis ausgegebene Referenzsignal werden in den Differenzschaltkreis eingespeist. Der Differenzschaltkreis bestimmt die Differenz zwischen dem Spannungssignal und dem Referenzsignal, und das erhaltene Ergebnis wird als Abweichungssignal ausgegeben.
Das vom Differenzschaltkreis ausgegebene Abweichungssignal und insbesondere dessen Abweichungspegel wird von der Komparatorschaltung des Heizungssteuermittels, das stromabwärts angeordnet ist, mit dem Referenzpegel verglichen. Ist der Abweichungspegel beispielsweise niedriger als der Referenzpegel, so wird das Anlegen von elektrischer Spannung an die Heizvorrichtung abgebrochen. Ist hingegen der Abweichungspegel beispielsweise höher als der Referenzpegel, so wird mit dem Anlegen von elektrischer Spannung an die Heizvorrichtung begonnen.
In der vorliegenden Erfindung wird der Zielimpedanzwert unter Verwendung des Widerstands (ohmscher Widerstand) festgelegt. Dementsprechend ist es nicht notwendig, eine Schaltkreisvorrichtung mit einem komplizierten Schaltkreissystem, wie etwa einem Tiefpassfilter höherer Ordnung und einem Bandpassfilter, das auf der Verwendung eines Operationsverstärkers basiert, als ersten und zweiten Detektionsschaltkreis zur Umwandlung des Wechselstromsignals in das Spannungssignal zu verwenden. Das System der vorliegenden Erfindung kann durch die Verwendung einer einfachen Gleichrichterschaltung, die auf einem Tiefpassfilter erster Ordnung und einer Diode basiert, umgesetzt werden. Es somit möglich, die Schaltkreisanordnung wirksam zu vereinfachen und den Stromverbrauch zu senken.
Weiters ist bevorzugt, dass der wie oben beschrieben konstruierte Gassensor zudem ein Hilfspumpmittel umfasst.
Dementsprechend wird zuerst das Messgas, das mithilfe des Hauptpumpmittels einer Grobanpassung unterzogen wurde, damit die vorbestimmte Gaskomponente die vorbestimmte Konzentration aufweist, mithilfe des Hilfspumpmittels einer weiterführenden Feinanpassung der Konzentration der vorbestimmten Gaskomponente unterzogen. Während des Zeitraums, zu dem der vorangegangene Vorgang durchgeführt wird und die Konzentration der vorbestimmten Gaskomponente im Messgas im Außenraum deutlich verändert wird (beispielsweise wird die Sauerstoffkonzentration von 0 auf 20% verändert), so ändert sich die Konzentrationsverteilung der vorbestimmten Gaskomponente im Messgas, das in das Hauptpumpmittel eingeführt wird, deutlich, und die Menge der vorbestimmten Gaskomponente, die in das Messpumpmittel oder das Konzentrationsdetektionsmittel eingeführt wird, ändert sich ebenfalls.
Die Konzentration der vorbestimmten Gaskomponente im Messgas wird nach der Pumpbearbeitung durch das Hauptpumpmittel durch die vom Hilfspumpmittel durchgeführte Pumpbearbeitung feinangepasst. Durch die vom Hauptpumpmittel durchgeführte Pumpbearbeitung ist aber die Änderung der Konzentration der vorbestimmten Gaskomponente im Messgas, das in das Hilfspumpmittel eingeführt wird, deutlich geringer als die Änderung der Konzentration der vorbestimmten Gaskomponente im Messgas aus dem Außenraum (dem in das Hauptpumpmittel eingeführten Messgas). Dementsprechend ist es möglich, die Konzentration der vorbestimmten Gaskomponente in der Nähe der Detektionselektrode des Messpumpmittels oder in der Nähe der Detektionselektrode des Konzentrationsdetektionsmittels präzise und konstant zu regeln.
Somit wird die Konzentration der in das Messpumpmittel oder das Konzentrationsdetektionsmittel eingeführten vorbestimmten Gaskomponente kaum durch die Ände rung der Konzentration der vorbestimmten Gaskomponente im Messgas (dem in das Hauptpumpmittel eingeführten Messgas) beeinflusst. In der Folge wird der vom Stromdetektionsmittel detektierte Pumpstromwert oder die vom Spannungsdetektionsmittel detektierte elektromotorische Kraft von der Änderung der Konzentration der vorbestimmten Gaskomponente im Messgas nicht beeinflusst, die einen Wert aufweist, der genau der Menge der im Messgas gegenwärtigen Zielkomponente entspricht.
Die vom Impedanzdetektionsmittel detektierte Impedanz zwischen den Elektroden, mit der Ausnahme der Detektionselektrode, kann die Impedanz zwischen der Referenzelektrode und einer beliebigen der Elektroden (der inneren Pumpelektrode oder der äußeren Pumpelektrode) des Hauptpumpmittels sein, oder aber die Impedanz kann die Impedanz zwischen der Referenzelektrode und der Hilfspumpelektrode des Hilfspumpmittels sein. Alternativ dazu ist es zulässig, die Impedanz zwischen der Hilfspumpelektrode und einer beliebigen der Elektroden des Hauptpumpmittels zu detektieren.
Insbesondere besteht gemäß der oben beschriebenen Erfindung die Möglichkeit, die Temperatur in der Nähe der Detektionselektrode im Sensorelement präziser zu regeln. Dementsprechend ist es möglich, Schwankungen in der Detektionsausgabe (dem Pumpstromwert oder der elektromotorischen Kraft) wirksam zu unterdrücken, die ansonsten in Abhängigkeit von der Temperatur des Messgases verursacht würden. Es ist also möglich, für eine Verbesserung der Detektionsgenauigkeit und eine Verbesserung der Zuverlässigkeit des Gassensors zu sorgen.
Das Hauptpumpmittel umfasst gegebenenfalls die innere Pumpelektrode und die äußere Pumpelektrode, die an der Innenseite bzw. der Außenseite einer ersten Kammer ausgebildet sind, welche von aus Festelektrolyten bestehenden Substraten umgeben ist, um darin ein Messgas einzuführen, wobei das Substrat zwischen den beiden Elektroden eingeschoben ist.
Das Messpumpmittel umfasst gegebenenfalls die Detektionselektrode, die an der Innenseite einer zweiten Kammer ausgebildet ist, welche von aus Festelektrolyten bestehenden Substraten umgeben ist, um darin ein Messgas nach der Pumpbearbeitung durch das Hauptpumpmittel einzuführen, wobei die Referenzelektrode in einer Referenzgaseinführungskammer ausgebildet ist, welche von aus Festelektrolyten bestehenden Substraten umgeben ist, um darin ein Referenzgas einzuführen, wobei das Substrat zwischen der Detektionselektrode und der Referenzelektrode eingeschoben ist.
Das Konzentrationsdetektionsmittel umfasst gegebenenfalls die Detektionselektrode, die an der Innenseite einer zweiten Kammer ausgebildet ist, welche von aus Festelektrolyten bestehenden Substraten umgeben ist, um darin ein Messgas nach der Pumpbearbeitung durch das Hauptpumpmittel einzuführen, wobei die Referenzelektrode in einer Referenzgaseinführungskammer ausgebildet ist, welche von aus Festelektrolyten bestehenden Substraten umgeben ist, um darin ein Referenzgas einzuführen, wobei das Substrat zwischen der Detektionselektrode und der Referenzelektrode eingeschoben ist.
Vorzugsweise umfasst der wie oben beschrieben konstruierte Gassensor gegebenenfalls zudem einen ersten Abschnitt zur Bestimmung der Diffusionsrate, der an einem Durchlass zur Einführung des Messgases aus dem Außenraum in die erste Kammer bereitgestellt ist, um dem Messgas einen vorbestimmten Diffusionswiderstand zu übertragen, und einen zweiten Abschnitt zur Bestimmung der Diffusionsrate, der an einem Durchlass zur Einführung des Messgases nach der Pumpbearbeitung durch das Hauptpumpmittel in die zweite Kammer bereitgestellt ist, um dem Messgas einen vorbestimmten Diffusionswiderstand zu übertragen.
Vorzugsweise umfasst der Gassensor gegebenenfalls weiters einen dritten Abschnitt zur Bestimmung der Diffusionsrate, der an einem Durchlass zur Einführung des Messgases zum Eintritt in die Detektionselektrode in der zweiten Kammer bereitgestellt ist, um dem Messgas einen vorbestimmten Diffusionswiderstand zu übertragen.
Die oben aufgeführten und weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung gemeinsam mit den beigefügten Zeichnungen, in denen eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung als veranschaulichendes Beispiel dargestellt ist, deutlicher hervor.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt eine Anordnung eines Gassensors gemäß einer ersten Ausführungsform.
2 zeigt eine Anordnung eines Rückkopplungssteuerungssystems für eine Hauptpumpzelle des Gassensors gemäß der ersten Ausführungsform.
3 zeigt ein Heizungssteuerungssystem des Gassensors gemäß der ersten Ausführungsform.
4 zeigt ein Schaltdiagramm, das ein spezifisches Beispiel des Heizungssteuerungssystems veranschaulicht.
5 zeigt die Abhängigkeit der Ausgabecharakteristik von der Messgastemperatur für das Beispiel, das dasselbe System wie der Gassensor der ersten Ausführungsform aufweist, und für das Vergleichsbeispiel, das auf dem herkömmlichen Verfahren der konstanten Widerstandsregelung basiert.
6 zeigt ein Schaltdiagramm, das eine erste modifizierte Ausführungsform des Gassensors gemäß der ersten Ausführungsform darstellt und insbesondere eine Anordnung eines Heizungssteuerungssystems veranschaulicht.
7A zeigt eine Wellenform, die einen Fall veranschaulicht, bei dem der Pegel des Abweichungssignals höher als der Scheitelpunktpegel der Dreieckschwingung liegt.
7B zeigt eine Wellenform, die ein steuerndes Basissignal veranschaulicht, welches unter den in 7A dargestellten Bedingungen erhalten wurde.
8A zeigt eine Wellenform, die einen Fall veranschaulicht, bei dem der Pegel des Abweichungssignals zwischen dem Mittelpunktpegel und dem Scheitelpunktpegel der Dreieckschwingung liegt.
8B zeigt eine Wellenform, die ein steuerndes Basissignal veranschaulicht, welches unter den in 8A dargestellten Bedingungen erhalten wurde.
9A zeigt eine Wellenform, die einen Fall veranschaulicht, bei dem der Pegel des Abweichungssignals zwischen dem Bodenpegel und dem Mittelpunktpegel der Dreieckschwingung liegt.
9B zeigt eine Wellenform, die ein steuerndes Basissignal veranschaulicht, welches unter den in 9A dargestellten Bedingungen erhalten wurde.
10A zeigt eine Wellenform, die einen Fall veranschaulicht, bei dem der Pegel des Abweichungssignals unter dem Bodenpegel der Dreieckschwingung liegt.
10B zeigt eine Wellenform, die ein steuerndes Basissignal veranschaulicht, welches unter den in 10A dargestellten Bedingungen erhalten wurde.
11 zeigt ein Schaltdiagramm, das eine zweite modifizierte Ausführungsform des Gassensors gemäß der ersten Ausführungsform darstellt und insbesondere eine Anordnung eines Heizungssteuerkreises eines Heizungssteuerungssystems veranschaulicht.
12 zeigt eine Anordnung eines Gassensors gemäß einer zweiten Ausführungsform.
13 zeigt eine Anordnung eines Gassensors gemäß einer dritten Ausführungsform.
14 zeigt eine Kennlinie, welche die Ausgabecharakteristik des Gassensors gemäß einer dritten Ausführungsform veranschaulicht.
15 zeigt eine Anordnung eines Gassensors gemäß einer vierten Ausführungsform.
16 zeigt eine Anordnung des Falls, bei dem die Impedanz zwischen einer inneren Pumpelektrode und einer Referenzelektrode detektiert wird.
17 zeigt eine Anordnung des Falls, bei dem die Impedanz zwischen einer äußeren Pumpelektrode und einer Referenzelektrode detektiert wird.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Nun werden verschiedene veranschaulichende Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die 1 bis 17 beschrieben, bei denen der Gassensor gemäß der vorliegenden Erfindung auf Gassensoren zur Messung von Oxiden, wie etwa NO, NO₂, SO₂, CO₂ und H₂O, die beispielsweise in Atmosphärenluft und in aus Fahrzeugen oder Kraftfahrzeugen ausgestoßenen Abgasen enthalten sind, und von brennbaren Gasen, wie etwa CO und CnHm, angewendet wird.
Zunächst umfasst, wie 1 zu entnehmen ist, ein Gassensor gemäß der ersten Ausführungsform beispielsweise sechs übereinander geschichtete Festelektrolytenschichten 10a bis 10f, welche aus einem Keramikmaterial, basierend auf der Verwendung von sauerstoffionenleitenden Festelektrolyten, wie beispielsweise ZrO₂, bestehen. Die erste und die zweite Schicht von unten sind als erste und zweite Substratschicht 10a bzw. 10b bezeichnet. Die dritte und die fünfte Schicht von unten sind als erste und zweite Abstandsschicht 10c bzw. 10e bezeichnet. Die vierte und die sechste Schicht von unten sind als erste und zweite Festelektrolytenschicht 10d bzw. 10f bezeichnet.
Spezifisch wird die erste Abstandsschicht 10c auf die zweite Substratschicht 10b geschichtet. Die erste Festelektrolytenschicht 10d, die zweite Abstandsschicht 10e und die zweite Festelektrolytenschicht 10f werden nacheinander auf die erste Abstandsschicht 10c geschichtet.
Ein Raum (Referenzgaseinführungsraum) 12, in welchen ein Referenzgas, wie etwa Atmosphärenluft, die als Referenz für die Messung der Oxide verwendet werden soll, ist zwischen der zweiten Substratschicht 10b und der ersten Festelektrolytenschicht 10d ausgebildet, wobei der Raum 12 durch eine Unterseite der ersten Festelektrolytenschicht 10d, eine Oberseite der zweiten Substratschicht 10b und Seitenflächen der ersten Abstandsschicht 10c begrenzt wird.
Die zweite Abstandsschicht 10e ist zwischen der ersten und der zweiten Festelektrolytenschicht 10d, 10f eingeschoben. Der erste und der zweite Abschnitt 14, 16 zur Bestimmung der Diffusionsrate sind ebenfalls zwischen der ersten und der zweiten Festelektrolytenschicht 10d, 10f eingeschoben.
Eine erste Kammer 18 zur Anpassung des Sauerstoffpartialdrucks in einem Messgas ist durch eine Unterseite der zweiten Festelektrolytenschicht 10f, Seitenflächen des ersten und des zweiten Abschnitts 14, 16 zur Bestimmung der Diffusionsrate und eine Oberseite der ersten Festelektrolytenschicht 10d ausgebildet und begrenzt. Eine zweite Kammer 20 zur Feinanpassung des Sauerstoffpartialdrucks im Messgas und zum Messen der Oxide, beispielsweise Stickoxide (NO_x) im Messgas, ist durch eine Unterseite der zweiten Festelektrolytenschicht 10f, eine Seitenfläche des zweiten Abschnitts 16 zur Bestimmung der Diffusionsrate, eine Seitenfläche der zweiten Abstandsschicht 10e und eine Oberseite der ersten Festelektrolytenschicht 10d ausgebildet und begrenzt.
Der Außenraum kommuniziert mit der ersten Kammer 18 über den ersten Abschnitt 14 zur Bestimmung der Diffusionsrate, während die erste Kammer 18 mit der zweiten Kammer 20 über den zweiten Abschnitt 16 zur Bestimmung der Diffusionsrate kommuniziert.
Der erste und der zweite Abschnitt 14, 16 zur Bestimmung der Diffusionsrate übertragen dem in die erste bzw. in die zweite Kammer 18, 20 einzuführenden Messgas jeweils einen vorbestimmten Diffusionswiderstand. Der erste und der zweite Abschnitt 14, 16 zur Bestimmung der Diffusionsrate können jeweils ein Durchlass sein, der beispielsweise aus einem porösen Material oder einem kleinen Loch mit einer vorbestimmten Querschnittsfläche gebildet ist, sodass das Messgas eingeführt werden kann.
Im Besonderen ist der zweite Abschnitt 16 zur Bestimmung der Diffusionsrate angeordnet und mit einem porösen Material, das beispielsweise ZrO₂ umfasst, gefüllt. Der Diffusionswiderstand des zweiten Abschnitts 16 zur Bestimmung der Diffusionsrate ist größer gestaltet als der Diffusionswiderstand des ersten Abschnitts 14 zur Bestimmung der Diffusionsrate.
Die Atmosphäre in der ersten Kammer 18 wird unter dem vorbestimmten Diffusionswiderstand über den zweiten Abschnitt 16 zur Bestimmung der Diffusionsrate in die zweite Kammer 20 eingeführt.
Eine innere Pumpelektrode 22 mit einer im Wesentlichen rechteckigen planaren Konfiguration, die aus einer porösen Cermetelektrode besteht, ist am gesamten Unterseitenabschnitt zur Ausbildung der ersten Kammer 18 der Unterseite der zweiten Festelektrolytenschicht 10f ausgebildet. Eine äußere Pumpelektrode 24 ist an einem der inneren Pumpelektrode 22 entsprechenden Abschnitt der Oberseite der zweiten Festelektrolytenschicht 10f ausgebildet. Eine elektrochemische Pumpzelle, d.h. eine Hauptpumpzelle 26 ist aus der inneren Pumpelektrode 22, der äußeren Pumpelektrode 24 und der zwischen den Elektroden 22, 24 eingeschobenen Festelektrolytenschicht 10f aufgebaut.
Eine gewünschte Steuerspannung (Pumpspannung) Vp1 wird mithilfe einer externen variablen Spannungsquelle 28 zwischen der inneren Pumpelektrode 22 und der äußeren Pumpelektrode 24 der Hauptpumpzelle 26 angelegt, sodass ein Pumpstrom zwischen der äußeren Pumpelektrode 24 und inneren Pumpelektrode 22 in eine po sitive oder negative Richtung fließen kann. Somit kann der Sauerstoff in der Atmosphäre in der ersten Kammer 18 in den Außenraum ausgepumpt oder der Sauerstoff im Außenraum in die ersten Kammer 18 eingepumpt werden.
Eine Messelektrode 30 mit einer im Wesentlichen rechteckigen planaren Konfiguration, die aus einer porösen Cermetelektrode besteht, ist an einem Oberseitenabschnitt zur Ausbildung der ersten Kammer 18, angrenzend an den zweiten Abschnitt 16 zur Bestimmung der Diffusionsrate, der Oberseite der ersten Festelektrolytenschicht 10d ausgebildet. Eine Referenzelektrode 32 ist an einem dem Referenzgaseinführungsraum 12 ausgesetzten Abschnitt der Unterseite der ersten Festelektrolytenschicht 10d ausgebildet. Eine elektrochemische Sensorzelle, d.h. eine Sauerstoffpartialdruck-Detektionszelle 34, ist aus der Messelektrode 30, der Referenzelektrode 32 und der ersten Festelektrolytenschicht 10d aufgebaut.
Eine elektromotorische Kraft wird zwischen der Messelektrode 30 und der Referenzelektrode 32 auf der Grundlage einer Differenz in der Sauerstoffkonzentration zwischen der Atmosphäre in der ersten Kammer 18 und dem Referenzgas (Atmosphärenluft) im Referenzgaseinführungsraum 12 erzeugt. Die Sauerstoffpartialdruck-Detektionszelle 34 ermöglicht die Detektion des Sauerstoffpartialdrucks in der Atmosphäre in der ersten Kammer 18, indem die erzeugte elektromotorische Kraft unter Verwendung eines Voltmeters 36 gemessen wird.
Der detektierte Wert des Sauerstoffpartialdrucks wird zur Rückkopplungssteuerung der variablen Spannungsquelle 28 verwendet. Spezifisch wird der von der Hauptpumpzelle 26 durchgeführte Pumpvorgang so gesteuert, dass der Sauerstoffpartialdruck in der Atmosphäre der ersten Kammer 18 einen vorbestimmten Wert aufweist, der ausreichend niedrig ist, um den Sauerstoffpartialdruck in der zweiten Kammer 20 im nächsten Schritt zu regeln.
Spezifisch umfasst, wie in 2 dargestellt ist, ein Schaltkreissystem (Rückkopplungssteuerungssystem) 38 zur Ausführung der Rückkopplungssteuerung einen ersten Differenzverstärker 40 zur Bestimmung der Differenz zwischen der Differenz (gemessene Spannung Va) zwischen einem elektrischen Potential der Messelektrode 30 und dem elektrischen Massepotential und der Differenz (Referenzspannung Vb) zwischen der Referenzelektrode 32 und dem elektrischen Massepotential, sowie zur Verstärkung der bestimmten Differenz um einen vorbestimmten Faktor zum Erhalt eines Ausgabesignals; einen zweiten Differenzverstärker 42 zur Bestimmung der Differenz zwischen dem Ausgabesignal des ersten Differenzverstärkers 40 und einer Referenzspannung Vc sowie zur Verstärkung der bestimmten Differenz um einen vorbestimmten Faktor zum Erhalt eines Ausgabesignals; und ein Signalverstärkungssystem 46, das aus einem Einstufen- oder Mehrstufenverstärker 44 besteht, um das Ausgabesignal des zweiten Differenzverstärkers 42 um einen vorbestimmten Faktor zu verstärken. In dieser Ausführungsform sind die Verdrahtungsanschlüsse solcherart, dass das Ausgangssignal des Signalverstärkungssystems 46 in die äußere Pumpelektrode 24 der Hauptpumpzelle 26 eingespeist wird und die innere Pumpelektrode 22 geerdet ist.
Dementsprechend wird zunächst das Messgas über den ersten Abschnitt 14 zur Bestimmung der Diffusionsrate in die erste Kammer 18 eingeführt. Zu diesem Zeitpunkt werden die gemessene Spannung Va und die Referenzspannung Vb dem ersten Differenzverstärker 40 zugeführt. Der erste Differenzverstärker 40 gibt die Differenzspannung Vd zwischen der gemessenen Spannung Va und der Referenzspannung Vb aus. Die Differenzspannung Vd wird beispielsweise an einen invertierenden Eingang des zweiten Differenzverstärkers 42 angelegt, der stromabwärts angeordnet ist. Der zweite Differenzverstärker 42 bestimmt die Differenz zwischen der dem invertierenden Eingang zugeführten Differenzspannung Vd und der einem nicht invertierenden Eingang zugeführten Referenzspannung Vc. Das Spannungssignal Ve, das durch die Verstärkung der bestimmten Differenz um einen vorbestimmten Faktor erhalten wurde, wird von einem Ausgabeausgang des zweiten Differenzverstärkers 42 ausgegeben. Das Spannungssignal Ve wird vom Signalverstärkungssystem 46, das stromabwärts angeordnet ist, um einen vorbestimmten Faktor verstärkt, und die erhaltene Spannung wird als Pumpspannung Vp1 in die äußere Pumpelektrode 24 der Hauptpumpzelle 26 eingespeist. In dieser Ausführungsform weist die innere Pumpelektrode 22 das Massepotential (0 V) auf. Deshalb entspricht letztendlich die Span nung zwischen den beiden Elektroden 22, 24 der Hauptpumpzelle 26 der Pumpspannung Vp1, die vom Signalverstärkungssystem 46 zugeführt wird.
Somit pumpt die Hauptpumpzelle 26 Sauerstoff in einer Menge, die dem Pegel der Pumpspannung Vp1 entspricht, in das in die erste Kammer 18 eingeführte Messgas ein oder aus. Die Sauerstoffkonzentration in der ersten Kammer 18 wird einer Rückkopplungssteuerung unterzogen, um durch Wiederholen der oben beschriebenen Vorgänge einen vorbestimmten Pegel zu erreichen.
Die poröse Cermetelektrode für den Aufbau der inneren Pumpelektrode 22 und die äußere Pumpelektrode besteht aus einem Metall, wie beispielsweise Pt, und einem Keramikmaterial, wie beispielsweise ZrO₂. Es ist jedoch notwendig, dass für die innere Pumpelektrode 22 und die Messelektrode 30, die in der ersten Kammer 18 angeordnet sind und das Messgas kontaktieren, ein Material mit schwacher Reduktionsfähigkeit oder gar keiner Reduktionsfähigkeit gegenüber der NO-Komponente im Messgas verwendet wird. Es ist bevorzugt, dass die innere Pumpelektrode 22 und die Messelektrode 32 beispielsweise aus einer Verbindung, die eine Perowskitstruktur aufweist, so wie etwa La₃CuO₄, einem ein Keramikmaterial und ein Metall mit schwacher katalytischer Wirkung, wie etwa Au, umfassenden Cermetmaterial, oder einem ein Keramikmaterial, ein Metall der Pt-Gruppe und ein Metall mit schwacher katalytischer Wirkung, wie etwa Au, umfassenden Cermetmaterial bestehen. Weiters ist es bevorzugt, dass bei der Verwendung einer Au und ein Metall der Pt-Gruppe umfassenden Legierung als Elektrodenmaterial Au in einer Menge von 0,03 bis 35 Vol.-% der gesamten Metallkomponenten zugesetzt wird.
Andererseits ist, wie 1 zu entnehmen ist, eine Hilfspumpelektrode 50 mit einer im Wesentlichen rechteckigen planaren Konfiguration, die aus einer porösen Cermetelektrode besteht, am gesamten Unterseitenabschnitt zur Ausbildung der zweiten Kammer 20 der Unterseite der zweiten Festelektrolytenschicht 10f ausgebildet. Eine elektrochemische Hilfs-Pumpzelle, d.h. eine Hilfspumpzelle 52, ist aus der Hilfspumpelektrode 50, der Referenzelektrode 32, der zweiten Festelektrolytenschicht 10f, der zweiten Abstandsschicht 10e und der ersten Festelektrolytenschicht 10d aufgebaut.
Eine gewünschte konstante Spannung Vp2 wird mithilfe einer externen Spannungsquelle 54 zwischen der Referenzelektrode 32 und der Hilfspumpelektrode 50 der Hilfspumpzelle 52 angelegt. Somit kann der Sauerstoff in der Atmosphäre in der zweiten Kammer 20 in den Referenzgaseinführungsraum 12 ausgepumpt werden. Dementsprechend ist es möglich, dass der Sauerstoffpartialdruck in der Atmosphäre in der zweiten Kammer 20 einen niedrigern Sauerstoffpartialdruckwert aufweist, bei dem die Messung der Zielkomponente im Wesentlichen nicht beeinflusst wird, unter einer Bedingung, bei der die Messgaskomponente (NO_x) im Wesentlichen nicht reduziert oder abgebaut wird. In dieser Ausführungsform ist aufgrund des Arbeit der Hauptpumpzelle 26 für die erste Kammer 18 die Änderung in der Menge des in die zweite Kammer 20 eingeführten Sauerstoffs im Vergleich zur Änderung im Messgas stark reduziert. Dementsprechend kann der Sauerstoffpartialdruck in der zweiten Kammer präzise auf einen konstanten Wert geregelt werden.
Im Gassensor gemäß der ersten Ausführungsform ist eine Detektionselektrode 56 mit einer im Wesentlichen rechteckigen planaren Konfiguration, die aus einer porösen Cermetelektrode besteht, an einem getrennt vom zweiten Abschnitt 16 zur Bestimmung der Diffusionsrate gelegenen Abschnitt eines Oberseitenabschnitts zur Ausbildung der zweiten Kammer 20 der Oberseite der ersten Festelektrolytenschicht 10d ausgebildet. Ein Aluminiumoxidfilm zur Bildung des dritten Abschnitts 58 zur Bestimmung der Diffusionsrate ist so ausgebildet, dass die Detektionselektrode 56 von diesem bedeckt wird. Eine elektrochemische Pumpzelle, d.h. eine Messpumpzelle 60, ist aus der Detektionselektrode 56, der Referenzelektrode 32, und der ersten Festelektrolytenschicht 10d aufgebaut.
Die Detektionselektrode 56 besteht aus einem porösen Cermetmaterial, welches ein Keramikmaterial und Rh als Metall umfasst, welches zur Reduktion von NO_x als Messgaskomponente fähig ist. Dementsprechend arbeitet die Detektionselektrode 56 als reduzierender Katalysator für das in der Atmosphäre der zweiten Kammer 20 vorhandene NO_x. Weiters kann der Sauerstoff in der Atmosphäre in der zweiten Kammer 20 durch Anlegen einer konstanten Spannung Vp3 zwischen der Detektionselektrode 56 und der Referenzelektrode 32 mithilfe einer externen Gleichstromquelle 62 in den Referenzgaseinführungsraum 12 ausgepumpt werden. Der Pumpstrom Ip, der in Übereinstimmung mit dem von der Messpumpzelle 60 durchgeführten Pumpvorgang fließen gelassen wird, wird von einem Amperemeter 64 gemessen.
Die Konstantspannungs-(Gleichstrom-)quelle 62 kann eine Spannung mit einer solchen Größe anlegen, dass ein Grenzstrom für das Pumpen von Sauerstoff bereitgestellt wird, welcher während des Abbaus in der Messpumpzelle 60 unter der Einströmung von NO_x, eingeschränkt durch den dritten Abschnitt 58 zur Bestimmung der Diffusionsrate, erzeugt wird.
Der Gassensor gemäß der ersten Ausführungsform umfasst zudem eine Heizvorrichtung 66 zur Erzeugung von Wärme in Übereinstimmung mit der von außen eingespeisten elektrischen Spannung. Die Heizvorrichtung 66 ist so eingebettet, dass sie vertikal zwischen der ersten und der zweiten Substratschicht 10a, 10b eingeschoben ist. Die Heizvorrichtung 66 ist zur Steigerung der Leitfähigkeit für Sauerstoffionen bereitgestellt. Eine aus Aluminiumoxid oder dergleichen bestehende Keramikschicht 68 ist ausgebildet, um die Ober- und Unterseite der Heizvorrichtung 66 abzudecken, sodass die Heizvorrichtung 66 elektrisch von den Substratschichten 10a, 10b isoliert ist.
Wie in 1 dargestellt ist, ist die Heizvorrichtung 66 über den gesamten Abschnitt, der sich von der ersten Kammer 18 zur zweiten Kammer 20 erstreckt, angeordnet. Dementsprechend wird sowohl die erste Kammer 18 als auch die zweite Kammer 20 auf eine vorbestimmte Temperatur erwärmt. Gleichzeitig werden auch die Hauptpumpzelle 26, die Sauerstoffpartialdruck-Detektionszelle 34, die Hilfspumpzelle 52 und die Messpumpzelle 60 auf eine vorbestimmte Temperatur erwärmt und auf dieser Temperatur gehalten.
Der Gassensor gemäß der ersten Ausführungsform umfasst ein Heizungssteuerungssystem, welches einen Impedanzdetektionsschaltkreis 70, der beispielsweise zwischen der inneren Pumpelektrode 22 der Hauptpumpzelle 26 und der Hilfspumpelektrode 50 mit der Ausnahme der Detektionselektrode 56 eingeschoben und angeschlossen ist, um die Impedanz zwischen den Elektroden 22, 50 zu detektieren, sowie einen Heizungssteuerkreis 72 zur Steuerung des Anlegens von elektrischer Spannung an die Heizvorrichtung 66 auf der Grundlage eines vom Impedanzdetektionsschaltkreis 70 zugeführten Detektionssignals umfasst.
Wie in 3 dargestellt ist, umfasst der Impedanzdetektionsschaltkreis 70 einen Wechselstromerzeugungsschaltkreis 80 zur Zufuhr eines Wechselstroms zwischen der inneren Pumpelektrode 22 und der Hilfspumpelektrode 50, sowie einen Signaldetektionsschaltkreis 82 zur Detektion eines Spannungssignals Vf mit einem der Impedanz zwischen den Elektroden 22, 50 entsprechenden Pegel, welches zwischen den Elektroden 22, 50 in Übereinstimmung mit dem zwischen den Elektroden 22, 50 eingespeisten Wechselstrom erzeugt wird.
Wie 4 zu entnehmen ist, ist das Impedanzmessziel, das aus der inneren Pumpelektrode 22, der Hilfspumpelektrode 50 und der zwischen den beiden Elektroden 22, 50 eingeschobenen zweiten Festelektrolytenschicht 10f aufgebaut ist, analog auch durch einen Schaltkreis 84 dargestellt, welcher einen Widerstand R und einen Kondensator C, die parallel geschaltet sind, umfasst.
Deshalb kann, wie in 4 gezeigt ist, der Signaldetektionsschaltkreis 82 aus einem Filterkreis (beispielsweise einem Tiefpassfilter und einem Bandpassfilter) 86 aufgebaut sein, um das zwischen den Elektroden 22, 50 erzeugte Wechselstromsignal in das Spannungssignal Vf umzuwandeln, welches einen Pegel (hierin in Folge einfach als "Detektionspegel" bezeichnet) aufweist, der der Impedanz zwischen den Elektroden 22 und 50 entspricht.
Andererseits ist, wie ebenfalls 4 zu entnehmen ist, der Heizungsteuerkreis 72 so konstruiert, dass er einen Komparator 88 mit Hysterese und einen pnp- Leistungstransistor 90 umfasst. Der Komparator 88 mit Hysterese wird wie folgt betrieben: Angenommen, der Referenzpegel ist E und der Totzonenpegel ist V_H, so wird ein Signal mit niedrigem Pegel ausgegeben, wenn der vom Filterkreis 86 ausgegebene Detektionspegel des Spannungssiganls Vf höher als ein positiver Schwellenpegel (E + V_H/2) ist, während ein Signal mit hohem Pegel ausgegeben wird, wenn der ausgegebene Detektionspegel niedriger als ein negativer Schwellenpegel (E – V_H/2) ist. Liegt der Detektionspegel in einem Bereich von –V_H/2 bis +V_H/2, so wird der aktuelle Pegel beibehalten.
Der Leistungstransistor 90 verfügt über einen Kollektoranschluss, an dem eine Spannungsquelle Vcc angeschlossen ist, einen Basisanschluss, an dem der Komparator 88 mit Hysterese angeschlossen ist, und einen Emitteranschluss, an dem eine erster Anschluss ϕ1 der Heizvorrichtung 66 angeschlossen ist. Ein zweiter Anschluss ϕ2 der Heizvorrichtung 66 ist geerdet.
Der Leistungstransistor 90 wird auf EIN geschaltet, indem das Signal mit kleinem Pegel vom Komparator 88 in den Basisanschluss eingespeist wird. Dementsprechend wird ein Steuerstrom von der Spannungsquelle Vcc an die Heizvorrichtung 66 geleitet. Andererseits wird der Leistungstransistor 90 auf AUS geschaltet, indem das Signal mit großem Pegel vom Komparator 88 in den Basisanschluss eingespeist wird. Dementsprechend wird die Zufuhr des Antriebsstroms zur Heizvorrichtung 66 abgebrochen.
Das Frequenzband der vom Wechselstromerzeugungsschaltkreis 80 erzeugten Wechselstromkomponente wird wünschenswerterweise festgelegt, beispielsweise auf einen Bereich von etwa 300 Hz bis 100 Hz, optimalerweise auf einen Bereich von 1 KHz bis 10 KHz. Die Spannung der Wechselstromkomponente wird wünschenswerterweise auf einen Pegel eingestellt, bei dem es zu keinerlei Funktionsschwierigkeiten bei den Elektroden kommt, beispielsweise auf nicht mehr als ±500 mV, optimalerweise auf etwa ±100 mV bis ±300 mV.
Der Referenzpegel E, der dem Komparator 88 des Heizungssteuerkreises Hz 72 zugeführt wird, ist auf den gleichen Pegel wie der Detektionspegel eingestellt, der erhalten wird, wenn die Temperatur des Messgases im Sensorelement eine vorbestimmte Temperatur (gewünschte Temperatur) aufweist.
Nun wird der Betrieb des Gassensors gemäß der ersten Ausführungsform erläutert. Zunächst wird das vordere Ende des Gassensors im Außenraum angeordnet. Demnach wird das Messgas unter dem vorbestimmten Diffusionswiderstand über den ersten Abschnitt 14 zur Bestimmung der Diffusionsrate in die erste Kammer 18 eingeführt. Das Messgas, das in die erste Kammer 18 eingeführt wurde, wird nun einem Pumpvorgang für den Sauerstoff unterzogen, der ausgelöst wird, indem die vorbestimmte Pumpspannung Vp1 zwischen der äußeren Pumpelektrode 24 und der inneren Pumpelektrode 22, welche die Hauptpumpzelle 26 bilden, angelegt wird. Der Sauerstoffpartialdruck wird auf einen vorbestimmten Wert geregelt, beispielsweise auf 10^–7 atm. Diese Regelung wird mithilfe des Rückkopplungssteuersystems 38, dargestellt in 2, ausgeführt.
Der erste Abschnitt 14 zur Bestimmung der Diffusionsrate dient der Einschränkung des Ausmaßes der Diffusion und der Menge an einströmendem Sauerstoff im Messgas in den Messraum (erste Kammer 18), wenn die Pumpspannung Vp1 an die Hauptpumpzelle 26 angelegt wird, sodass der durch die Hauptpumpzelle 26 fließende Strom unterdrückt wird.
In der ersten Kammer 18 wird ein Zustand des Sauerstoffpartialdrucks geschaffen, bei dem das in der Atmosphäre vorhandene NO_x in einer Umgebung, die durch das von außen kommende Messgas und durch die Heizvorrichtung 66 erwärmt wird, durch die innere Pumpelektrode 22 und die Messelektrode 30 nicht reduziert wird. Beispielsweise wird ein Zustand des Sauerstoffpartialdrucks hergestellt, bei dem die Reaktion NO → 1/2N₂ + 1/2O₂ aus folgendem Grund nicht auftritt. Wird NO_x im Messgas (Atmosphäre) in der ersten Kammer 18 reduziert, so ist die präzise Messung von NO_x in der stromabwärts angeordneten zweiten Kammer 20 nicht möglich. Vor diesem Hintergrund ist es notwendig, in der ersten Kammer 18 eine Bedingung zu schaffen, unter der NO_x nicht durch die Komponente, die an der Reduktion von NO_x teilnimmt, reduziert wird (in diesem Fall die Metallkomponente der inneren Pumpelektrode 22 und der Messelektrode 30). Spezifisch wird eine solche Bedingung hergestellt, indem ein Material mit schwacher Fähigkeit zur Reduktion von NO_x, beispielsweise eine Legierung aus Au und Pt, für die innere Pumpelektrode 22 und die Messelektrode 30 verwendet wird.
Das Gas in der ersten Kammer 18 wird unter dem vorbestimmten Diffusionswiderstand über den zweiten Abschnitt 16 zur Bestimmung der Diffusionsrate in die zweite Kammer 20 eingeführt. Das Gas, das in die zweite Kammer 20 eingeführt wurde, wird einer Pumpbearbeitung für den Sauerstoff unterzogen, welche durch das Anlegen der vorbestimmten konstanten Spannung Vp2 zwischen der Referenzelektrode 32 und der Hilfspumpelektrode 50, die die Hilfspumpzelle 52 bilden, ausgelöst wird, um die Feinanpassung durchzuführen, sodass der Sauerstoffpartialdruck einen konstanten und niedrigen Sauerstoffpartialdruckwert aufweist.
Der zweite Abschnitt 16 zur Bestimmung der Diffusionsrate dient der Einschränkung des Ausmaßes der Diffusion und der Menge an einströmendem Sauerstoff im Messgas in den Messraum (zweite Kammer 20), wenn die konstante Spannung Vp2 an die Hilfspumpzelle 52 angelegt wird, sodass der durch die Hilfspumpzelle 52 fließende Strom unterdrückt wird, und zwar auf die gleiche Weise, wie dies der erste Abschnitt 14 zur Bestimmung der Diffusionsrate ausgeführt hat.
In der zweiten Kammer 20 wird ebenfalls ein Zustand des Sauerstoffpartialdrucks hergestellt, bei dem das in der Atmosphäre enthaltene NO_x in einer Umgebung, die durch das von außen kommende Messgas und durch die Heizvorrichtung 66 erwärmt wird, durch die Hilfspumpelektrode 50 nicht reduziert wird, und zwar auf die gleiche Weise, wie dieser in der ersten Kammer 18 hergestellt wurde. Dementsprechend ist es auch bei der Hilfspumpelektrode 50 notwendig, ein Material mit schwacher Fähigkeit oder gar keiner Fähigkeit zur Reduktion der NO-Komponente im Messgas zu verwenden, so wie bereits für die innere Pumpelektrode 22 und die Messelektrode 30. Es ist bevorzugt, dass die Hilfspumpelektrode 50 beispielsweise aus einer Ver bindung, die eine Perowskitstruktur aufweist, so wie etwa La₃CuO₄, einem ein Keramikmaterial und ein Metall mit schwacher katalytischer Wirkung, wie etwa Au, umfassenden Cermetmaterial, oder einem ein Keramikmaterial, ein Metall der Pt-Gruppe und ein Metall mit schwacher katalytischer Wirkung, wie etwa Au, umfassenden Cermetmaterial besteht. Weiters ist es bevorzugt, dass bei der Verwendung einer Au und ein Metall der Pt-Gruppe umfassenden Legierung als Elektrodenmaterial Au in einer Menge von 0,03 bis 35 Vol.-% der gesamten Metallkomponenten zugesetzt wird.
Das Messgas, dessen Sauerstoffpartialdruck in der zweiten Kammer 20 so wie oben beschrieben geregelt wurde, wird nun unter dem vorbestimmten Diffusionswiderstand über den dritten Abschnitt 58 zur Bestimmung der Diffusionsrate in die Detektionselektrode 56 eingeführt.
Ist beabsichtigt, den Sauerstoffpartialdruck in der Atmosphäre der ersten Kammer 18 auf einen niedrigen Sauerstoffpartialdruckwert einzustellen, der die Messung von NO_x im Wesentlichen nicht beeinflusst, indem die Hauptpumpzelle 26 in Betrieb genommen wird, oder mit anderen Worten, wenn die Pumpspannung Vp1 der variablen Spannungsquelle 28 mithilfe des Rückkopplungssteuerungssystems 38 so eingestellt wird, dass die von der Sauerstoffpartialdruck-Detektionselektrode 34 detektierte Spannung konstant ist, so kommt es bei einer deutlichen Änderung der Sauerstoffkonzentration im Messgas, beispielsweise in einem Bereich von 0 bis 20%, im gewöhnlichen Fall nur zu einer leichten Änderung des entsprechenden Sauerstoffpartialdrucks in der Atmosphäre der zweiten Kammer 20 und in der Atmosphäre in der Nähe Detektionselektrode 56. Die Ursache dieses Phänomens liegt wahrscheinlich durch im folgenden Grund: Steigt die Sauerstoffkonzentration im Messgas an, so erfolgt die Verteilung der Sauerstoffkonzentration in die Richtung der Breite und in die Richtung der Dicke entlang der Messelektrode 30 in der ersten Kammer. Die Verteilung der Sauerstoffkonzentration ändert sich in Abhängigkeit von der Sauerstoffkonzentration im Messgas.
Beim Gassensor gemäß der ersten Ausführungsform aber ist die Hilfspumpzelle 52 für die zweite Kammer 20 bereitgestellt, sodass der Sauerstoffpartialdruck in deren Innenatmosphäre immer einen konstant niedrigen Sauerstoffpartialdruckwert aufweist. Dementsprechend kann, selbst bei der Änderung des Sauerstoffpartialdrucks in der aus der ersten Kammer 18 in die zweite Kammer 20 eingeführten Atmosphäre in Abhängigkeit von der Sauerstoffkonzentration im Messgas, der Sauerstoffpartialdruck in der Atmosphäre in der zweiten Kammer durch den von der Hilfspumpzelle 52 durchgeführten Pumpvorgang immer auf einen konstanten, niedrigen Wert gehalten werden. In der Folge kann der Sauerstoffpartialdruck auf einem niedrigen Wert geregelt werden, bei dem die Messung von NO_x nicht wesentlich beeinflusst wird.
NO_x im Messgas, das in die Detektionselektrode 56 eingeführt wird, wird im Bereich um die Detektionselektrode 56 reduziert oder abgebaut. Beispielsweise wird eine Reaktion NO → 1/2N₂ + 1/2O₂ zugelassen. Bei diesem Vorgang wird eine vorbestimmte Spannung Vp3, beispielsweise 430 mV (700°C) zwischen der Detektionselektrode 56 und der Referenzelektrode 32, die zum Aufbau der Messpumpzelle 60 dienen, in eine Richtung angelegt, um den Sauerstoff aus der zweiten Kammer 20 in den Referenzgaseinführungsraum 12 auszupumpen.
Der durch die Messpumpzelle fließende Pumpstrom Ip weist somit einen Wert auf, der proportional zur Summe der Sauerstoffkonzentration in der zweiten Kammer 20, d.h. der Sauerstoffkonzentration in der zweiten Kammer 20 und der durch die Reduktion oder den Abbau von NO_x mithilfe der Detektionselektrode 56 erzeugten Sauerstoffkonzentration ist.
In dieser Ausführungsform wird die Sauerstoffkonzentration in der zweiten Kammer 20 durch die Hilfspumpzelle 52 auf einen konstanten Wert geregelt. Dementsprechend ist beispielsweise, wie in 5 veranschaulicht, der durch die Messpumpzelle 60 fließende Pumpstrom Ip proportional zur NO_x-Konzentration. Die NO_x-Konzentration entspricht dem Ausmaß der Diffusion von NO_x, welches durch den dritten Abschnitt 58 zur Bestimmung der Diffusionsrate eingeschränkt ist. Deshalb ist es selbst bei einer deutlichen Änderung der Sauerstoffkonzentration im Messgas möglich, die NO_x-Konzentration basierend auf der Verwendung der Messpumpzelle 60 mithilfe des Amperemeters 64 präzise zu messen.
Es wird beispielsweise angenommen, dass der Sauerstoffpartialdruck in der Atmosphäre der zweiten Kammer 20, welcher durch die Hilfspumpzelle 52 geregelt wird, 0,02 ppm beträgt und die Konzentration von NO als die im Messgas enthaltene NO_x-Komponente 100 ppm. Der Pumpstrom Ip fließt in einer Menge, die der Summe (= 50,02 ppm) aus einer Sauerstoffkonzentration von 50 ppm, die durch die Reduktion oder den Abbau von NO erzeugt wurde, und der Sauerstoffkonzentration von 0,02 ppm in der Atmosphäre in der zweiten Kammer 20 entspricht. Somit repräsentiert fast der gesamte Pumpstromwert, der durch den Betrieb der Messpumpzelle 60 erhalten wird, jene Menge, die durch die Reduktion oder den Abbau von NO entstanden ist. Somit ist das erhaltene Ergebnis nicht von der Sauerstoffkonzentration im Messgas abhängig.
Während des Zeitraums, in dem der vorangegangene Vorgang durchgeführt wird, wird die Impedanz zwischen der inneren Pumpelektrode 22 und der Hilfspumpelektrode 50, mit Ausnahme der Detektionselektrode 56, mithilfe des Spannungsdetektionsschaltkreises 70 als ein Spannungspegel detektiert. Das Anlegen von elektrischer Spannung an die Heizvorrichtung 66 mithilfe des Heizungsteuerkreises 72 wird auf der Grundlage des detektierten Spannungspegels gesteuert.
Spezifisch ist der Pegel des vom Filterkreis 86 (vgl. 4) des Impedanzdetektionsschaltkreises 70 ausgegebenen Spannungssignals Vf dann erhöht, wenn die Temperatur im Messgas unter eine vorbestimmte Temperatur abfällt und die Impedanz zwischen den Elektroden 22, 50 ansteigt. Übersteigt der Pegel des Spannungssignals Vf den positiven Schwellenpegel (E + V_H/2) des Komparators 88, so wird das Signal mit niedrigem Pegel der Basiselektrode des Leistungstransistors 90, der zum Heizungsteuerkreis 72 gehört, zugeführt und das Anlegen von elektrischer Spannung an die Heizvorrichtung 66 aufgenommen. Demgemäß wird die Temperatur des Messgases im Sensorelement schrittweise angehoben.
Andererseits ist der Pegel des vom Filterkreis 86 ausgegebenen Spannungssignals Vf dann niedriger, wenn die Temperatur im Messgas eine vorbestimmte Temperatur überschreitet und die Impedanz zwischen den Elektroden 22, 50 abnimmt. Liegt der Pegel des Spannungssignals Vf unter dem negativen Schwellenpegel (E – V_H/2) des Komparators 88, so wird das Signal mit hohem Pegel der Basiselektrode des Leistungstransistors 90, der zum Heizungsteuerkreis 72 gehört, zugeführt und das Anlegen von elektrischer Spannung an die Heizvorrichtung 66 abgebrochen. Demgemäß wird die Temperatur des Messgases im Sensorelement schrittweise gesenkt. Wie oben beschrieben wurde, kann die Temperatur im Sensorelement durch die Steuerung des Anlegens von elektrischer Spannung an die Heizvorrichtung 66 auf der Grundlage des Impedanzwerts konstant gehalten werden.
Nun wird ein der Veranschaulichung dienendes Beispiel beschrieben. Dieser veranschaulichende Versuch bezieht sich auf das Beispiel für einen Gassensor, der auf die gleiche Weise wie der Gassensor gemäß der ersten Ausführungsform konstruiert ist, und auf ein Vergleichsbeispiel für einen Gassensor, der auf der Verwendung der herkömmlichen konstanten Widerstandsregelung basiert. Die Gassensensoren des Beispiels und des Vergleichsbeispiels wurden in Abgas, das aus einem Dieselmotor ausgestoßen wurde, mit einem sauerstoffreichen Hochtemperatur-Gasbereich angeordnet, um das Ausmaß der Änderungen der Ausgabecharakteristiken beim Beispiel und beim Vergleichsbeispiel in Abhängigkeit von hoher und niedriger Messgastemperatur zu beobachten. Die Versuchsergebnisse sind in 5 aufgezeigt.
Die in 5 dargestellten Kennlinien wurden erhalten, indem die vom Beispiel und vom Vergleichsbeispiel erhaltenen Charakteristiken graphisch aufgezeichnet wurden, wobei die NO-Konzentration im Außenraum entlang der unteren Abszissensachse, der detektierte Stromwert, der vom Amperemeter 64 erhalten wurde, entlang der Ordinatenachse und die Messgastemperatur während der Messung entlang der oberen Abszissensachse angegeben ist. In 5 bezeichnen die Kreise die mit dem Beispiel erhaltene Ausgabecharakteristik, während die Quadrate die mit dem Vergleichsbeispiel erhaltene Ausgabecharakteristik bezeichnen.
Aus den Ergebnissen des Versuchs gehen folgende Fakten hervor: Im Fall des Vergleichsbeispiels ist es möglich, bei einer Messgastemperatur von unter 600°C einen detektierten Stromwert zu erhalten, der mit der NO-Konzentration übereinstimmt. Überschreitet jedoch die Messgastemperatur 600°C, tritt ein Phänomen auf, durch welches sich der detektierte Stromwert verschiebt. Spezifisch tritt ein Phänomen auf, bei dem der detektierte Stromwert in Übereinstimmung mit dem Temperaturanstieg auf einen Wert über dem vorgeschriebenen detektierten Stromwert ansteigt, der auf der Grundlage der Konzentration der vorbestimmten Gaskomponente erwartet wird. Beim Beispiel hingegen wird ein mit der NO-Konzentration übereinstimmender detektierter Stromwert bei bis zu 800°C erhalten, sodass die Charakteristik im Vergleich zum Vergleichsbeispiel besser ist.
Wie oben beschrieben wurde, besteht im Unterschied zum herkömmlichen Verfahren der konstanten Widerstandsregelung keine Notwendigkeit, den Gassensor gemäß der ersten Ausführungsform so zu fertigen, dass ein striktes Verhältnis zwischen dem Widerstandswert des Leitungsabschnitts der Heizvorrichtung und dem Widerstandswert des Wärmeerzeugungsabschnitts der Heizvorrichtung besteht, Weiters ist es möglich, den Einfluss zu verhindern, der sonst durch die Temperatur des Messgases aufgrund des Anstiegs des Widerstandswert des Heizungsleitungsabschnitts ausgeübt werden würde.
Beim Gassensor gemäß der ersten Ausführungsform wird der Impedanzwert zwischen den Elektroden mit Ausnahme der Detektionselektrode 56 detektiert. Deshalb ist die an die Messpumpzelle 60 angelegte Spannung Vp3 frei von Veränderungen, die ansonsten durch die Detektion der Impedanz verursacht werden würden. Somit ist es möglich, beispielsweise die Überlagerung des Pumpstroms Ip, der mithilfe des Amperemeters 64 detektiert wird, durch Rauschen und Schwankungen zu unterdrücken.
Mit anderen Worten ermöglicht der Gassensor gemäß der ersten Ausführungsform die Unterdrückung von Änderungen in der Detektionsausgabe, die ansonsten in Ab hängigkeit von der Temperatur des Messgases ausgelöst werden würden. Zudem ist es möglich, ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis der Detektionsausgabe zu erhalten.
Im Besonderen wird beim Gassensor gemäß der ersten Ausführungsform die Impedanz zwischen der inneren Pumpelektrode 22 und der Hilfspumpelektrode 50 detektiert. Dementsprechend kann das Innere des Sensorelements geregelt werden, während die Temperatur in der ersten Kammer 18 und die Temperatur in der zweiten Kammer 20 überwacht wird. Dadurch kann die Messgastemperatur in der Nähe der Detektionselektrode 56 präziser geregelt werden. In der Folge können Änderungen in der Detektionsausgabe (Pumpstromwert) wirksam unterdrückt werden, die ansonsten in Abhängigkeit von der Temperatur des Messgases ausgelöst werden würden, und eine Verbesserung der Detektionsgenauigkeit sowie eine Verbesserung der Zuverlässigkeit des Gassensors erzielt werden.
Nun werden drei modifizierte Ausführungsformen des Gassensors gemäß der ersten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die 6 bis 11 beschrieben. Komponenten oder Bauteile, die jenen in den 1 und 4 entsprechen, sind mit den gleichen Verweisnummern gekennzeichnet, wobei auf eine erneute Erklärung dieser verzichtet wird.
Zunächst ist ein Gassensor gemäß der ersten modifizierten Ausführungsform in etwa auf die gleiche Weise konstruiert wie der Gassensor gemäß der ersten Ausführungsform (vgl. 1 und 4). Allerdings unterscheidet sich Ersterer hinsichtlich der Anordnung des Heizungssteuerungssystems vom Letzteren.
Wie in 6 dargestellt ist, umfasst das Heizungssteuerungssystem einen Wechselstromerzeugungsschaltkreis 80 sowie zwei Detektionsschaltkreise (erster und zweiter Detektionsschaltkreis 100, 102), einen Differenzverstärker 104 und einen Impulsbreitenmodulationsschaltkreis 130 zur Modulation der Impulsbreite des Signals (hierin in Folge einfach als "steuerndes Basissignal Sp" bezeichnet) zur Ansteuerung der Basis des Leistungstransistors 90.
Spezifisch werden zunächst ein erster in Reihe geschalteter Stromkreis 106, der einen Festwiderstand Ra umfasst, welcher mit dem den Widerstand R und den Kondensator C umfassenden Parallelkreis 84 (dem Analogschaltkreis des Impedanzmessziels, der aus der inneren Pumpelektrode 22, der Hilfspumpelektrode 50 und der dazwischen angeordneten Festelektrolytenschicht 10f aufgebaut ist) in Reihe geschaltet ist, und ein zweiter in Reihe geschalteter Stromkreis 108, der einen fixen Widerstand Rb umfasst, welcher mit einem veränderbaren Widerstand Rc in Reihe geschaltet ist, jeweils zwischen der Speiseleitung der Wechselstromerzeugungsquelle 80 parallel geschaltet. Die Drahtverbindung ist solcherart, dass ein Wechselstromsignal Sa, das im Parallelkreis (Elementimpedanz) 84 durch die Speisung des ersten und des zweiten in Reihe geschalteten Stromkreises 106, 108 mit Wechselstrom erzeugt, wird, dem ersten Detektionsschaltkreis 100 zugeführt wird. Die Drahtverbindung ist derart, dass ein Wechselstromsignal Sb, das im veränderbaren Widerstand R_c erzeugt wird, dem zweiten Detektionsschaltkreis zugeführt wird. Außerdem ist die Drahtverbindung solcherart, dass sowohl ein Ausgabesignal Vg des ersten Detektionsschaltkreises 100 als auch ein Ausgabesignal Vh des zweiten Detektionsschaltkreises 102 dem stromabwärts angeordneten Differenzverstärker 104 zugeführt werden. 6 veranschaulicht ein Beispiel für eine Drahtverbindung, bei der das Ausgabesignal Vg des ersten Detektionsschaltkreises 100 in einen nicht invertierenden Eingang des Differenzverstärkers 104 eingegeben und das Ausgabesignal Vh des zweiten Detektionsschaltkreises 102 in einen invertierenden Eingang desselben eingegeben wird.
Der Widerstandswert des veränderbaren Widerstands Rc ist auf einen Widerstandswert eingestellt, der der normalen Impedanz zwischen den Elektroden des Impedanzmessziels entspricht, welches als erster Serienschaltkreis 106 angeschlossen ist. In dieser Ausführungsform ist der Widerstandswert auf einen Widerstandswert eingestellt, der der normalen Impedanz zwischen der inneren Pumpelektrode 22 und der Hilfspumpelektrode 50 entspricht.
Der erste Detektionsschaltkreis 100 umfasst, wenn angeschlossen, einen nicht invertierenden Verstärkerschaltkreis 110 zur Verstärkung des in der Parallelschaltung (E lementimpedanz) 84 erzeugten Wechselstromsignals Sa um einen vorbestimmten Faktor, und einen Gleichrichterschaltkreis 112, um das Ausgabesignal Sc des nicht invertierenden Verstärkerschaltkreises 110 gleichzurichten und das erhaltene Ergebnis in das Spannungssignal Vg mit einem dem Ausgabepegel entsprechenden Gleichstrompegel umzuwandeln. Der zweite Detektionsschaltkreis 102 umfasst, wenn angeschlossen, einen nicht invertierenden Verstärkerschaltkreis 114 zur Verstärkung des im veränderbaren Widerstand Rc erzeugten Wechselstromsignals Sb um einen vorbestimmten Faktor, und einen Gleichrichterschaltkreis 116, um das Ausgabesignal Sd des nicht invertierenden Verstärkerschaltkreises 114 gleichzurichten und das erhaltene Ergebnis in das Spannungssignal Vh mit einem dem Ausgabepegel entsprechenden Gleichstrompegel umzuwandeln. Der fixe Widerstand Ra weist denselben Widerstandswert wie der fixe Widerstand Rb auf.
Der Impulsbreitenmodulationsschaltkreis 130 umfasst einen Dreieckschwingungserzeugungsschaltkreis 132 zur Erzeugung und Ausgabe einer vorbestimmten Dreieckschwingung St mit beispielsweise einem Bodenpegel von –5 V und einem Scheitelpegel von +5 V sowie einen Komparator 134 zum Vergleichen der vom Dreieckschwingungserzeugungsschaltkreis 132 zugeführten Dreieckschwingung St mit einem vom Differenzverstärker 104 zugeführten Ausgabesignal Vi. 6 zeigt ein Beispiel einer Drahtverbindung, in der das vom Differenzverstärker 104 zugeführte Ausgabesignal Vi in einen invertierenden Eingang des Komparators 134 eingegeben und die vom Dreieckschwingungserzeugungsschaltkreis 132 zugeführte Dreieckschwingung St in einen nicht invertierenden Eingang desselben eingegeben wird.
Der Pegel des Ausgabesignals Vi des Differenzverstärkers 104 stellt einen Schwellenwert für die Dreieckschwingung St bereit. Ist der Pegel des Ausgabesignals Vi nicht kleiner als der Scheitelwert der Dreieckschwingung St, wie in 7A dargestellt, so wird vom Komparator 134 immer das steuernde Basissignal mit niedrigem Pegel ausgegeben, wie in 7B dargestellt ist. Ist der Pegel des Ausgabesignals Vi höher als der Bodenwert der Dreieckschwingung St und niedriger als der Scheitelwert, wie in den 8A und 9A dargestellt, so wird über den Zeitraum hinweg, während dem die Dreieckschwingung St höher als der Pegel des Ausgabesignals Vi ist, das steuernde Basissignal mit hohem Pegel ausgegeben, während das steuernde Basissignal über den Zeitraum hinweg, während dem die Dreieckschwingung St niedriger als der Pegel des Ausgabesignals Vi ist, mit niedrigem Pegel ausgegeben, wie in 8B und 9B dargestellt ist.
Ist der Pegel des Ausgabesignals Vi nicht höher als der Bodenwert der Dreieckschwingung St, wie in 10A dargestellt, so wird vom Komparator 134 immer das steuernde Basissignal mit einem hohen Pegel ausgegeben, wie in 10B dargestellt ist.
Nun wird der Betrieb des Gassensors gemäß der ersten modifizierten Ausführungsform und insbesondere der Betrieb des Heizungssteuerungssystems beschrieben. Zunächst wird dem ersten Serienschaltkreis 106, der das Impedanzmessziel (Parallelkreis) 84 umfasst, mithilfe des Wechselstromerzeugungsschaltkreises 80 Wechselstrom zugeführt, wobei der Wechselstrom gleichzeitig auch dem zweiten Serienschaltkreis 108 zugeführt wird, der den veränderbaren Widerstand, dessen Widerstandswert so eingestellt ist, dass er der normalen Impedanz zwischen den Elektroden 22, 50 entspricht, umfasst.
Wird der Wechselstrom dem ersten in Reihe geschalteten Stromkreis 106 zugeführt, so wird das im Parallelkreis (Elementimpedanz) 84 erzeugte Wechselstromsignal Sa dem ersten Detektionsschaltkreis 100 zugeführt und nach der Umwandlung in das Gleichstrom-Spannungssignal Vg ausgegeben. Andererseits wird auch, wenn der Wechselstrom dem zweiten Serienschalkreis 108 zugeführt wird, das im Regelwiderstand Rc erzeugte Wechselstromsignal Sb dem zweiten Detektionsschaltkreis 102 zugeführt und nach der Umwandlung in das Gleichstrom-Spannungssignal (Referenzsignal) Vh ausgegeben.
Sowohl das vom ersten Detektionsschaltkreis 100 ausgegebene Spannungssignal Vg als auch das vom zweiten Detektionsschaltkreis 102 ausgegebene Referenzsignal Vh werden in den Differenzverstärker 104 eingespeist. Der Differenzverstärker 104 bestimmt die Differenz zwischen dem Spannungssignal Vg und dem Referenzsignal Vh, um das Abweichungssignal Vi auszugeben.
Das vom Differenzverstärker 104 ausgegebene Abweichungssignal Vi und insbesondere dessen Spannungspegel wird mithilfe des stromabwärts angeordneten, im Impulsbreitenmodulationsschaltkreis 130 enthaltenen Komparators 134 mit der vom Dreieckschwingungserzeugungsschaltkreis 132 zugeführten Dreieckschwingung St verglichen.
Zunächst ist die Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur des Sensorelements und der Temperatur des Messgases während der Aufwärmphase äußerst hoch, und die Impedanz zwischen den Elektroden 22 und 50 äußerst groß. Demzufolge überschreitet der Pegel des Abweichungssignals Vi den Scheitelpegel der Dreieckschwingung St, wie in 7A dargestellt ist, und der Pegel des steuernden Basissignals Sp ist ständig niedrig. In der Folge ist der Leistungstransistor ständig auf EIN geschaltet, und der Heizvorrichtung 66 wird kontinuierlich elektrische Spannung zugeführt. Wird nun durch das kontinuierliche Anlegen von elektrischer Spannung an die Heizvorrichtung 66 die Sensorelementtemperatur angehoben, so wird der Pegel des Abweichungssignals Vi kleiner als der Scheitelpegel der Dreieckschwingung Si. Somit variiert der Pegel des Abweichungssignals Vi in einem Bereich zwischen dem Bodenpegel und dem Scheitelpegel, je nachdem, ob die Temperatur des Messgases hoch oder niedrig ist (vgl. 8A bis 9B).
Sinkt die Temperatur des Messgases unter die vorbestimmte Temperatur und steigt die Impedanz zwischen den Elektroden 22, 50 an, so ist auch der Pegel des Abweichungssignals Vi, das vom Differenzverstärker 104 des Impedanzdetektionsschaltkreises 70 ausgegeben wird, erhöht, wie in den 8A und 8A gezeigt ist, und die Breite des Impulses mit niedrigem Pegel des steuernden Basissignals Sp wird um ein der vorangegangenen Erhöhung entsprechendes Ausmaß breiter. In der Folge wird der Zeitraum, während dem der Heizvorrichtung 66 elektrische Spannung zugeführt wird, verlängert und die Messgastemperatur im Sensorelement langsam angehoben.
Andererseits nimmt, wie in den 9A und 9B gezeigt ist, der Pegel des Abweichungssignals Vi, das vom Differenzverstärker 104 des Impedanzdetektionsschaltkreises 70 ausgegeben wird, ab, wenn die Messgastemperatur über die vorbestimmte Temperatur ansteigt und die Impedanz zwischen den Elektroden 22, 50 abnimmt, und die Breite des Impulses mit niedrigem Pegel des steuernden Basissignals Sp wird um ein der vorangegangenen Abnahme entsprechendes Ausmaß schmaler. In der Folge wird der Zeitraum, während dem der Heizvorrichtung 66 elektrische Spannung zugeführt wird, verkürzt und die Messgastemperatur im Sensorelement langsam gesenkt.
Wie oben beschrieben wurde, kann die Temperatur im Sensorelement konstant gehalten werden, indem das Anlegen von elektrischer Spannung an die Heizvorrichtung auf der Grundlage des Impedanzwerts gesteuert wird.
Im Gassensor gemäß der ersten modifizierten Ausführungsform kann der Zielimpedanzwert durch die Verwendung des Widerstands (Regelwiderstand Rc) eingestellt werden. Deshalb ist es nicht notwendig, als ersten und zweiten Detektionsschaltkreis 100, 102 zur Umwandlung des Wechselstromssignals in das Spannungssignal eine Schaltkreisvorrichtung mit einer komplizierten Schaltkreisanordnung, wie etwa ein Tiefpassfilter höherer Ordnung und ein Bandpassfilter, basierend auf der Verwendung eines Operationsverstärkers, zu verwenden. Das System der vorliegenden Erfindung kann durch die Verwendung einfacher Komponenten, beispielsweise von Differenzverstärkern, Gleichrichterschaltkreisen, basierend auf der Verwendung von Dioden und CR-Tiefpassfiltern erster Ordnung, umgesetzt werden. Somit ist es möglich, die Schaltkreisanordnung wirksam zu vereinfachen und den Stromverbrauch wirksam zu senken.
Nun wird ein Gassensor gemäß einer zweiten modifizierten Ausführungsform unter Bezugnahme auf 11 beschrieben. Wie in 11 dargestellt ist, ist der Gassensor gemäß der zweiten modifizierten Ausführungsform in etwa auf die gleiche Weise wie der Gassensor gemäß der ersten Ausführungsform (vgl. 4) konstruiert. Allerdings unterscheidet sich Ersterer insofern von Letzterem, als anstelle des Kompara tors 88 mit Hysterese, der im Heizungssteuerkreis 72 enthalten ist, ein Differenzverstärker 118 angeschlossen ist. Der stromabwärts angeordnete Leistungstransistor 90 arbeitet, basierend auf der Verwendung des Sättigungsbereichs und des Durchbruchbereichs des Transistors, als digitaler Schaltkreis, aber basierend auf der Verwendung des Sättigungsbereichs, des Betriebsbereichs und des Durchbruchbereichs des Transistors als analoger Schaltkreis.
Das bedeutet, dass der Gassensor gemäß der zweiten modifizierten Ausführungsform die Messgastemperatur im Sensorelement durch die kontinuierliche Steuerung der Menge an zugeführtem Strom auf der Grundlage der Änderung der Impedanz zwischen den Elektroden 22, 50 regelt, ohne dabei das Anlegen elektrischer Spannung an die Heizvorrichtung 66 zu unterbrechen. In dieser Ausführungsform ist es möglich, einen übermäßigen Stromverbrauch zu verhindern, der ansonsten beim Beginn des Anlegens von elektrischer Spannung an die Heizvorrichtung 66 zu beobachten wäre.
Diese Ausführungsform veranschaulicht eine Drahtverbindung, bei der das Abweichungssignal Vi des Differenzverstärkers 104 in den invertierenden Eingang des Differenzverstärkers 118 eingespeist wird, während der Referenzpegel Ea dem nicht invertierenden Eingang desselben zugeführt wird. Bei diesem Vorgang ist der Referenzpegel Ea auf einen Pegel eingestellt, der sich von dem in 4 gezeigten Referenzpegel E unterscheidet, da es hier notwendig ist, den Referenzpegel Ea mit dem Pegel (Abweichungspegel) des Abweichungssignals Vi, das vom Differenzverstärker 104 zugeführt wird, zu vergleichen. Spezifisch ist der Referenzpegel Ea so eingestellt, dass er dem Abweichungspegel entspricht, der erhalten wird, wenn die Messgastemperatur im Sensorelement die vorbestimmte Temperatur (gewünschte Temperatur) aufweist.
Obwohl dieser nicht dargestellt ist, ist ein Gassensor gemäß der dritten modifizierten Ausführungsform so konstruiert, dass der Impedanzdetektionsschaltkreis 70 für das Heizungssteuerungssystem der im Gassensor gemäß der ersten Ausführungsform enthaltene Impedanzdetektionsschaltkreis, d.h. der auf der Verwendung des Filter kreises 86 basierende Impedanzdetektionsschaltkreis 70, ist und der Heizungssteuerkreis 72 der im Gassensor gemäß der zweiten modifizierten Ausführungsform enthaltene Heizungssteuerkreis, d.h. der auf der Verwendung des Differenzverstärkers 118 basierende Heizungssteuerkreis 72 ist.
In dieser Ausführungsform ist es möglich, einen Gassensor zu erhalten, der die Wirkung des Gassensors gemäß der ersten Ausführungsform und die Wirkung des Gassensors gemäß der zweiten modifizierten Ausführungsform kombiniert.
Nun wird unter Bezugnahme auf 12 ein Gassensor gemäß einer zweiten Ausführungsform erläutert werden. Komponenten und Bauteile, die jenen aus 1 entsprechen, sind mit den gleichen Verweisnummern gekennzeichnet, wobei auf eine erneute Erklärung dieser verzichtet wird.
Wie in 12 dargestellt ist, ist der Gassensor gemäß der zweiten Ausführungsform in etwa auf die gleiche Weise wie der Gassensor gemäß der ersten Ausführungsform (vgl. 1) konstruiert. Allerdings unterscheidet sich Ersterer insofern von Letzterem, als das Rückkopplungssteuerungssystem 38 für die Hauptpumpzelle 26 wie folgt aufgebaut ist.
Das Rückkopplungssteuerungssystem 38 umfasst einen Differenzverstärker 120 zum Vergleichen einer Klemmenspannung Vj zwischen der Referenzelektrode 32 und der inneren Pumpelektrode 22 mit einer Referenzspannung Vr und zum Verstärken der erhaltenen Differenz um einen vorbestimmten Faktor zum Erhalt eines Ausgabesignals, welcher so verdrahtet und angeschlossen ist, dass die Ausgangsspannung (Differenzspannung) des Differenzverstärkers 120 als Pumpspannung Vp1 an die Hauptpumpzelle 26 zwischen der äußeren Pumpelektrode 24 und der inneren Pumpelektrode 22 angelegt wird. In dieser Ausführungsform ist die innere Pumpelektrode 22 geerdet.
Nun wird der Betrieb des Gassensors gemäß der zweiten Ausführungsform erklärt. Zunächst wird das Messgas über den ersten Abschnitt 14 zur Bestimmung der Diffu sionsrate in die erste Kammer 18 eingeführt. Während dieses Vorgangs wird die Klemmenspannung Vj, die zwischen der inneren Pumpelektrode 22 der Hauptpumpzelle 26 und der an der Seite des Referenzgaseinführungsraums 12 ausgebildeten Referenzelektrode 32 erhalten wird, beispielsweise an den nicht invertierenden Eingang des Differenzverstärkers 120 angelegt. Der Differenzverstärker 120 bestimmt die Differenz zwischen der in den invertierenden Eingang angelegten Klemmenspannung Vj und der an den nicht invertierenden Eingang angelegten Referenzspannung Vr. Die Spannung Vp1, die durch die Verstärkung der Differenz um den vorbestimmten Faktor erhalten wird, wird vom Ausgang des Differenzverstärkers 120 ausgegeben. Die Ausgangsspannung Vp1 wird an die äußere Pumpelektrode 24 der Hauptpumpzelle 26 angelegt. In dieser Ausführungsform wird aber zugelassen, dass die innere Pumpelektrode 22 das elektrische Massepotential (0 V) aufweist. Demzufolge entspricht die Spannung zwischen den beiden Elektroden 22, 24 der Hauptpumpzelle 26 der Ausgangsspannung Vp1 aus dem Differenzverstärker 120.
Dadurch arbeitet die Hauptpumpzelle 26 als Pumpe zum Ein- oder Auspumpen des im Messgas enthaltenen Sauerstoffs, welches in einer dem Pegel der Ausgangsspannung Vp1 entsprechenden Menge in die erste Kammer 18 eingeführt wird. Die Sauerstoffkonzentration in der ersten Kammer 18 wird rückkopplungsgesteuert, um einen vorbestimmten Pegel zu erreichen, indem die vorangegangen Abfolge von Vorgängen wiederholt wird.
In dieser Ausführungsform ist die Klemmenspannung (gemessene Spannung) Vj, die an den invertierenden Eingang des Differenzverstärkers 120 angelegt wird, die Klemmenspannung zwischen der inneren Pumpelektrode 22 der Hauptpumpzelle 26 und der Referenzelektrode 32, die im Referenzgaseinführungsraum 12 bereitgestellt ist. Demnach ändert sich die Klemmenspannung zwischen der inneren Pumpelektrode 22 der Hauptpumpzelle 26 und der Referenzelektrode 32 unverzüglich (Änderung in Echtzeit), wenn sich die Menge des aus der Hauptpumpzelle 26 ausgepumpten Sauerstoffs und die Sauerstoffkonzentration in der ersten Kammer 18 ändert. Somit ist es möglich, das Schwingungsphänomen, das sonst im Rückkopplungssteuerungssystem 38 auftreten würde, wirksam zu verhindern.
Beim oben beschriebenen Rückkopplungssteuerungssystem 38 wird die Steuerspannung (Ausgangsspannung Vp1) rückkopplungsgesteuert, sodass die Klemmenspannung Vj zwischen der inneren Pumpelektrode 22 und der Referenzelektrode 32 auf den gleichen Pegel wie die Referenzspannung Vr zusammengeführt wird.
Es ist weiters möglich, beim Gassensor gemäß der zweiten Ausführungsform die Anordnungen der ersten bis dritten modifizierten Ausführungsform der ersten Ausführungsform zu übernehmen.
Nun wird ein Gassensor gemäß der dritten Ausführungsform unter Bezugnahme auf 13 beschrieben. Komponenten und Bauteile, die jenen aus 1 entsprechen, sind mit den gleichen Verweisnummern gekennzeichnet, wobei auf eine erneute Erklärung dieser verzichtet wird.
Wie in 13 dargestellt ist, ist der Gassensor gemäß der zweiten Ausführungsform in etwa auf die gleiche Weise wie der Gassensor gemäß der ersten Ausführungsform (vgl. 1) konstruiert. Allerdings unterscheidet sich Ersterer insofern von Letzterem, als anstelle der Messpumpzelle 60 eine Sauerstoffpartialdruck-Detektionszelle 122 bereitgestellt ist.
Die Sauerstoffpartialdruck-Detektionszelle 122 umfasst eine Detektionselektrode 124, die an einem Oberseitenabschnitt zur Ausbildung der zweiten Kammer 20 der Oberseite der ersten Festelektrolytenschicht 10d ausgebildet ist, die Referenzelektrode 32, die an der Unterseite der ersten Festelektrolytenschicht 10d ausgebildet ist, und die zwischen den beiden Elektroden 124, 32 eingeschobene erste Festelektrolytenschicht 10d.
In dieser Ausführungsform wird zwischen der Detektionselektrode 124 und der Referenzelektrode 32 der Sauerstoffpartialdruck-Detektionszelle 122 eine elektromotorische Kraft (elektromotorische Kraft der Sauerstoffkonzentrationszelle) erzeugt, die dem Unterschied in der Sauerstoffkonzentration zwischen der die Detektionselektrode 124 umgebenden Atmosphäre und der die Referenzelektrode 32 umgebenden Atmosphäre entspricht. Deshalb ist der Sauerstoffpartialdruck in der die Detektionselektrode 124 umgebenden Atmosphäre, oder mit anderen Worten, der Sauerstoffpartialdruck, der durch die Reduktion oder den Abbau der Messgaskomponente (NO_x) definiert ist, als Spannungspegel detektiert, indem die zwischen der Detektionselektrode 124 und der Referenzelektrode 32 erzeugte elektromotorische Kraft unter Verwendung eines Voltmeters 126 gemessen wird.
Nun wird das Prinzip der vom Gassensor gemäß der dritten Ausführungsform durchgeführten Detektion unter Bezugnahme auf die in 14 gezeigte Kennlinie erläutert.
Beträgt zunächst die NO-Konzentration im Außenraum 0 ppm und wird die Sauerstoffkonzentration in der Atmosphäre in der ersten Kammer 18 mithilfe des Rückkopplungssteuerungssystem 38 so geregelt, dass die Pumpspannung Vp1 für die Hauptpumpzelle 26 einen 300 mV entsprechenden Wert (10^–7 atm) aufweist, so beträgt die Sauerstoffkonzentration in der Atmosphäre der zweiten Kammer 20 ebenfalls 10^–7 atm. Somit beträgt die elektromotorische Kraft, die zwischen der Detektionselektrode 124 und der Referenzelektrode 32 der für die zweite Kammer 20 bereitgestellten Sauerstoffpartialdruck-Detektionszelle 122 in etwa 460 mV.
Wird die NO-Konzentration im Außenraum schrittweise angehoben, so wird die Reduktion oder Abbau von NO an der Detektionselektrode 124 ausgelöst, und die Sauerstoffkonzentration in der die Detektionselektrode 124 umgebenden Atmosphäre wird angehoben, weil die Detektionselektrode 124 auf die gleiche Weise wie die Detektionselektrode 56 der oben beschriebenen Messpumpzelle (vgl. 1) als NO-Reduktionskatalysator wirkt. Dadurch nimmt die elektromotorische Kraft, die zwischen der Detektionselektrode 124 und der Referenzelektrode 32 erzeugt wird, schrittweise ab. Mit Bezug auf 14, in der die Kennlinie veranschaulicht ist, nimmt beispielsweise die vom Voltmeter 126 detektierte elektromotorische Kraft schrittweise auf 300 mV, 250 mV bzw. 220 mV ab, wenn die NO-Konzentration auf 300 ppm, 500 ppm bzw. 1.000 ppm ansteigt.
Das Ausmaß des Anstiegs der elektromotorischen Kraft repräsentiert die NO-Konzentration. Mit anderen Worten repräsentiert die elektromotorische Kraft, die von der Sauerstoffpartialdruck-Detektionszelle 122 für die zweite Kammer, die aus der Detektionselektrode 124, der Referenzelektrode 32 und der ersten Festelektrolytenschicht 10d aufgebaut ist, die NO-Konzentration im Messgas.
Der Gassensor gemäß der dritten Ausführungsform umfasst zudem das gleiche Heizungssteuerungssystem wie das Heizungssteuerungssystem gemäß der ersten Ausführungsform, d.h. den Impedanzdetektionsschaltkreis 70 und den Heizungssteuerkreis 72.
Deshalb ist es beim Gassensor gemäß der dritten Ausführungsform nicht notwendig, den Gassensor so zu fertigen, dass ein striktes Verhältnis zwischen dem Widerstandswert des Leitungsabschnitts der Heizvorrichtung und dem Widerstandswert des Wärmeerzeugungsabschnitts der Heizvorrichtung besteht, so wie beim Gassensor gemäß der ersten Ausführungsform. Weiters ist es möglich, den Einfluss der Temperatur des Messgases zu verhindern, der sonst aufgrund des Anstiegs des Widerstandswerts des Heizungsleitungsabschnitts ausgeübt werden würde.
Von einem anderen Blickwinkel aus betrachtet wird der Impedanzwert zwischen der inneren Pumpelektrode 22 und der Hilfspumpelektrode 50 detektiert. Dementsprechend ist die von der Sauerstoffpartialdruck-Detektionszelle 122 erzeugte elektromotorische Kraft frei von Änderungen, die sonst durch die Detektion der Impedanz verursacht werden würden. Es ist somit beispielsweise möglich, die Überlagerung der vom Voltmeter 126 detektierten elektromotorischen Kraft durch Rauschen und Schwankungen zu unterdrücken.
Es ist also möglich, Änderungen in der Detektionsausgabe zu unterdrücken, die sonst in Abhängigkeit von der Temperatur des Messgases entstünden. Außerdem ist es möglich, ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis der Detektionsausgabe zu erzielen.
Zudem kann die Temperatur des Messgases in der Nähe der Detektionselektrode 124 äußerst präzise geregelt werden, und die Änderung der Detektionsausgabe (elektromotorische Kraft), die sonst durch die Temperatur des Messgases verursacht werden würde, kann wirksam unterdrückt werden. Diese Vorteile ergeben eine Verbesserung der Detektionsgenauigkeit des Gassensensors und eine Verbesserung seiner Zuverlässigkeit.
Auch ist es möglich, die Anordnungen gemäß der ersten bis dritten Ausführungsform der ersten Ausführungsform auf den Gassensor gemäß der dritten Ausführungsform anzuwenden.
Nun wird unter Bezugnahme auf 15 ein Gassensor gemäß der vierten Ausführungsform beschrieben.
Der Gassensor gemäß der vierten Ausführungsform ist auf die gleiche Weise wie der Gassensor der dritten Ausführungsform konstruiert. Allerdings unterscheidet sich Ersterer von Letzterem insofern, als das Rückkopplungssteuerungssystem 38 für die Hauptpumpzelle 26 auf die gleiche Weise wie jenes des Gassensors gemäß der zweiten Ausführungsform konstruiert ist. Das bedeutet, dass die Drahtverbindung so gestaltet ist, dass der Gassensor den Differenzverstärker 120 zum Vergleichen der Klemmenspannung Vj zwischen der Referenzelektrode 32 und der inneren Pumpelektrode 22 mit der Referenzspannung Vr umfasst, um die Differenz zu erhalten, die zum Erhalt eines Ausgabesignals um den vorbestimmten Faktor verstärkt wird. Weiters wird die Ausgangsspannung (Differenzspannung) des Differenzverstärkers 120 als Pumpspannung Vp1 zwischen der äußeren Pumpelektrode 24 und der inneren Pumpelektrode 22 an die Hauptpumpzelle 26 angelegt.
Der Gassensor gemäß der vierten Ausführungsform bietet dieselbe Wirkung wie der Gassensor gemäß der dritten Ausführungsform und stellt zudem die Wirkung des Gassensors gemäß der zweiten Ausführungsform, d.h. die Wirkung, dass das Schwingungsphänomen im Rückkopplungssteuerungssystem 38 effektiv unterdrückt wird, bereit.
Bei den Gassensoren gemäß der ersten bis vierten Ausführungsform (einschließlich der verschiedenen modifizierten Ausführungsformen) wird der Impedanzdetektionsschaltkreis 70 verwendet, um die Impedanz zwischen der inneren Pumpelektrode 22 und der Hilfspumpelektrode 50 zu detektieren, sodass die Messgastemperatur im Sensorelement geregelt werden kann. Allerdings kann die Messgastemperatur im Sensorelement auch geregelt werden, indem die Impedanz zwischen den folgenden Elektroden detektiert wird:

(1) zwischen der äußeren Pumpelektrode 24 und der Hilfspumpelektrode 50;
(2) zwischen der Referenzelektrode 32 und der Hilfspumpelektrode 50;
(3) zwischen der inneren Pumpelektrode 22 und der Detektionselektrode (56 oder 124);
(4) zwischen der äußeren Pumpelektrode 24 und der Detektionselektrode (56 oder 124);
(5) zwischen der inneren Pumpelektrode 22 und der Referenzelektrode 32 (vgl. 16); und
(6) zwischen der äußeren Pumpelektrode 24 und der Referenzelektrode 32 (vgl. 17).

Im Besonderen ist in den Fällen (5) und (6), die in den 16 und 17 veranschaulicht sind, die an der Unterseite der ersten Festelektrolytenschicht 10d ausgebildete Referenzelektrode 32 so ausgebildet, dass sie sich bis zu einer Stelle erstreckt, die der Hauptpumpzelle 26 entspricht (die Stelle unterhalb der Hauptpumpzelle 26). Obwohl dies nicht dargestellt ist, ist alternativ dazu bevorzugt, dass die Referenzelektrode 32 an einer der Hauptpumpzelle 26 entsprechenden Stelle der Unterseite der ersten Festelektrolytenschicht 10d ausgebildet ist, um die Detektionsgenauigkeit hinsichtlich der Impedanz zu verbessern.
Die Gassensoren gemäß der oben beschriebenen ersten bis vierten Ausführungsform sind auf NO_x als Messgaskomponente ausgerichtet. Die vorliegende Erfindung ist aber genauso wirksam auf die Messung von anderen Gaskomponenten als NO_x, die gebundenen Sauerstoff enthalten, wie etwa H₂O und CO₂, anwendbar, bei denen die Messung von dem im Messgas enthaltenen Sauerstoff beeinflusst wird.
Wie oben erklärt wurde, umfasst der Gassensor gemäß der vorliegenden Erfindung ein Hauptpumpmittel, welches einen Festelektrolyten, der einen Außenraum kontaktiert, sowie eine innere Pumpelektrode und eine äußere Pumpelektrode, die an der inneren bzw. der äußeren Oberfläche der Festelektrolytenschicht ausgebildet sind, umfasst, um eine vorbestimmte Gaskomponente, die in einem vom Außenraum eingeführten Messgas enthalten ist, auf der Grundlage einer zwischen den Elektroden angelegten Steuerspannung pumpzubearbeiten (ein- und auszupumpen); ein Messpumpmittel, das einen Festelektrolyten sowie eine Detektionselektrode und eine Referenzelektrode, welche auf dem Festelektrolyten ausgebildet sind, umfasst, um die im Messgas nach der Pumpbearbeitung durch das Hauptpumpmittel enthaltene vorbestimmte Gaskomponente auf der Grundlage einer zwischen der Detektionselektrode und der Referenzelektrode angelegten Spannung pumpzubearbeiten; ein Stromdetektionsmittel zur Detektion eines Pumpstroms, der in Abhängigkeit von der Menge der vom Messpumpmittel pumpbearbeiteten vorbestimmten Gaskomponente erzeugt wird; eine Heizvorrichtung zum Erwärmen von zumindest dem Hauptpumpmittel und dem Messpumpmittel auf eine vorbestimmte Temperatur; ein Impedanzdetektionsmittel zur Detekton der Impedanz zwischen einer an einer Seite des Hauptpumpmittels angeordneten Elektrode und einer an einer Seite des Messpumpmittels angeordneten Elektrode; und ein Heizungssteuerungsmittel zur Steuerung des Anlegens von elektrischer Spannung an die Heizvorrichtung auf der Grundlage eines Werts der Impedanz, der vom Impedanzdetektionsmittel detektiert wurde.
Dadurch werden die folgenden Wirkungen erhalten:
Es ist möglich, Änderungen in der Detektionsausgabe zu verhindern, die sonst in Abhängigkeit von der Temperatur des Messgases verursacht werden würden. Zu dem ist es möglich, ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis der Detektionsausgabe zu erhalten. Im Besonderen wird die Impedanz zwischen der an der Seite des Hauptpumpmittels angeordneten Elektrode und der an der Seite des Messpumpmittels angeordneten Elektrode detektiert. Dadurch wird ermöglicht, die Temperatur an der Seite des Hauptpumpmittels und die Temperatur an der Seite des Messpumpmittels (oder des Konzentrationsdetektionsmittels) im Sensorelement zu überwachen, und es ist möglich, die Temperatur im Sensorelement präzise zu regeln.
Außerdem kann die Impedanz zwischen der Hilfspumpelektrode des Hilfspumpmittels und der Referenzelektrode oder die Impedanz zwischen der inneren Pumpelektrode des Hauptpumpmittels und der Hilfspumpelektrode als die vom Impedanzdetektionsmittel detektierte Impedanz zwischen den Elektroden detektiert werden. Dadurch ist es möglich, die Temperatur des Messgases in der Nähe der Detektionselektrode im Sensorelement höchst präzise zu regeln, und es ist möglich, Ausgabeänderungen in der Detektionsausgabe weiter zu unterdrücken. Auch kann der Wechselstromerzeugungsschaltkreis so verdrahtet und angeschlossen sein, dass der Wechselstrom nicht nur zwischen den vorangegangenen Elektroden eingespeist wird, sondern auch dem Widerstand zugeführt wird, der so dimensioniert ist, dass sein Widerstandswert der normalen Impedanz zwischen den Elektroden entspricht. Zudem kann das Signaldetektionsmittel den ersten Detektionsschaltkreis zur Umwandlung des zwischen den Elektroden erzeugten Wechselstroms in das Spannungssignal mit einem der Impedanz zwischen den Elektroden entsprechenden Pegel, den zweiten ersten Detektionsschaltkreis zur Umwandlung des zwischen im Widerstand erzeugten Wechselstroms in das Spannungssignal mit einem der Impedanz des Widerstands entsprechenden Pegel, welches als Referenzsignal verwendet wird, sowie den Differenzschaltkreis zur Bestimmung der Differenz zwischen dem vom ersten Detektionsschaltkreis ausgegebenen Spannungssignal und dem vom zweiten Detektionsschaltkreis ausgegebenen Referenzsignal, um diese als Abweichungssignal auszugeben, umfassen. Dies bringt mit sich, dass ein vereinfachtes Steuerungssystem erreicht werden kann.

Claims

Gassensor für eine gebundenen Sauerstoff enthaltende Gaskomponente, umfassend: einen ersten und einen zweiten Innenraum (18, 20), wobei ein zu messendes Gas von einem Außenraum in den ersten Innenraum (18) und vom ersten Innenraum (18) in den zweiten Innenraum (20) gelangt; ein Sauerstoff-Hauptpumpmittel (26), umfassend einen ersten sauerstoffionenleitenden Festelektrolyten (10f), der einen Außenraum kontaktiert, und eine den ersten Innenraum (18) kontaktierende innere Pumpelektrode (22) sowie eine äußere Pumpelektrode (24), die an der inneren bzw. der äußeren Oberfläche des ersten Festelektrolyten (10f) ausgebildet sind, zum Pumpbearbeiten einer in einem vom Außenraum in den ersten Innenraum (18) eingeführten Messgas enthaltenen vorbestimmten Gaskomponente auf der Grundlage einer zwischen den Elektroden (22, 24) angelegten Steuerspannung (Vp1); ein Umwandlungsmittel zur Erzeugung elektrischer Signale, umfassend einen zweiten sauerstoffionenleitenden Festelektrolyten (10d), eine Detektionselektrode (56), die in Kontakt mit dem zweiten Festelektrolyten bereitgestellt ist und den zweiten Innenraum (20) kontaktiert, und eine Referenzelektrode (32), die in Kontakt mit dem zweiten Festelektrolyten (10d) bereitgestellt ist und einen Referenzgasraum (12) kontaktiert, um durch Umwandlung ein elektrisches Signal zu erzeugen, das der Menge der in dem Messgas, das nach der Pumpbearbeitung durch das Hautpumpmittel (26) in den zweiten Innenraum (20) eingeführt wird, enthaltenen vorbestimmten Gaskomponente entspricht; eine Heizvorrichtung (66), um zumindest das Hautpumpmittel (26) und das Umwandlungsmittel (60 oder 122) zur Erzeugung elektrischer Signale auf eine vorbestimmte Temperatur zu erwärmen, wobei die Heizvorrichtung durch Isoliermaterial (68) vom ersten und vom zweiten Festelektrolyten (10f, 10d) elektrisch isoliert ist; und optional ein Hilfspumpmittel (52), umfassend eine Hilfspumpelektrode (50), die den zweiten Innenraum (20) kontaktiert, wobei das Hilfspumpmittel (52) der Pumpbearbeitung der im Messgas nach der Pumpbearbeitung durch das Hautpumpmittel (26) enthaltenen vorbestimmten Gaskomponente auf der Grundlage einer zwischen der Hilfspumpelektrode (50) und der Referenzelektrode (32) angelegten Spannung dient, wobei der Gassensor zudem Folgendes umfasst: ein Impedanzdetektionsmittel (70) zur Detektion der Impedanz zwischen einem Elektrodenpaar des Sensors, das aus den folgenden Paaren ausgewählt ist: (a) eine der Elektroden (22, 24) des Hauptpumpmittels und die Detektionselektrode (56, 124), (b) eine der Elektroden (22, 24) des Hauptpumpmittels und die Referenzelektrode (32), (c) eine der Elektroden (22, 24) des Hauptpumpmittels und die Hilfspumpelektrode (50), wenn das Hilfspumpmittel (52) ausgebildet ist, (d) die Referenzelektrode (32) und die Hilfspumpelektrode (50), wenn das Hilfspumpmittel (52) ausgebildet ist; und ein Heizungssteuerungsmittel (72) zur Steuerung des Anlegens von elektrischer Spannung an die Heizvorrichtung (66) auf der Grundlage des Werts der Impedanz, der vom Impedanzdetektionsmittel (70) detektiert wurde.
Gassensor nach Anspruch 1, worin das Umwandlungsmittel zur Erzeugung elektrischer Signale Folgendes umfasst: ein Messpumpmittel (60), umfassend den zweiten Festelektrolyten (10d) sowie die Detektionselektrode (56) und die Referenzelektrode (32), zur Pumpbearbeitung der im Messgas nach der Pumpbearbeitung durch das Hautpumpmittel (26) enthaltenen vorbestimmten Gaskomponente auf der Grundlage einer zwischen der Detektionselektrode (56) und der Referenzelektrode (32) angelegten Steuerspannung (Vp3); und ein Stromdetektionsmittel (64) zur Detektion eines in Abhängigkeit der Menge der vorbestimmten Gaskomponente, die vom Messpumpmittel (60) pumpbearbeitet wurde, erzeugten Pumpstroms (Ip).
Gassensor nach Anspruch 1, worin das Umwandlungsmittel zur Erzeugung elektrischer Signale Folgendes umfasst: ein Konzentrationsdetektionsmittel (122), umfassend den zweiten Festelektrolyten (10d) sowie die Detektionselektrode (124) und die Referenzelektrode (32), zur Erzeugung einer elektromotorischen Kraft, die der Differenz zwischen der Menge der im Messgas nach der Pumpbearbeitung durch das Hautpumpmittel (26) enthaltenen vorbestimmten Gaskomponente und der Menge der in einem Referenzgas, das an einer Seite der Referenzelektrode (32) vorhanden ist, enthaltenen vorbestimmten Gaskomponente entspricht; und ein Spannungsdetektionsmittel (126) zur Detektion der vom Konzentrationsdetektionsmittel (122) erzeugten elektromotorischen Kraft.
Gassensor nach Anspruch 1, 2 oder 3, worin das Elektrodenpaar, das der vom Impedanzdetektionsmittel (70) ausgeführten Detektion der Impedanz unterzogen wird, die Detektionselektrode (56, 124) nicht einschließt.
Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, weiters umfassend: ein Konzentrationsmessmittel (34) zur Erzeugung einer elektromotorischen Kraft, die der Differenz zwischen der Menge der im Messgas während der vom Hautpumpmittel (26) ausgeführten Pumpbearbeitung enthaltenen vorbestimmten Gaskomponente und der Menge der in einem Referenzgas, das die Referenzelektrode (32) kontaktiert, enthaltenen vorbestimmten Gaskomponente entspricht; und ein Hauptpumpsteuermittel (38) zur Anpassung des Pegels der zwischen der inneren Pumpelektrode (22) und der äußeren Pumpelektrode (24) angelegten Steuerspannung (Vp1) auf der Grundlage der Spannung der elektromotorischen Kraft.
Gassensor nach Anspruch 5, worin die vom Konzentrationsmessmittel (34) erzeugte elektromotorische Kraft eine zumindest zwischen der Referenzelektrode (32) und einer im ersten Innenraum (18) bereitgestellten Messelektrode (30) erzeugte Klemmenspannung ist.
Gassensor nach Anspruch 5, worin die vom Konzentrationsmessmittel (34) erzeugte elektromotorische Kraft eine zumindest zwischen der Referenzelektrode (32) und der inneren Pumpelektrode (22) des Hauptpumpmittels (26) erzeugte Klemmenspannung ist.
Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, worin das Impedanzdetektionsmittel (70) Folgendes umfasst: einen Wechselstromerzeugungsschaltkreis (80) zur Zufuhr von Wechselstrom zwischen dem der Detektion unterzogenen Elektrodenpaar; und einen Signaldetektionsschaltkreis (82) zur Detektion eines Spannungssignals mit einem Pegel, der der Impedanz zwischen dem Elektrodenpaar entspricht, welche zwischen dem Elektrodenpaar durch die Zufuhr von Wechselstrom an dieses erzeugt wurde; und worin das Heizungssteuerungsmittel (72) Folgendes umfasst: eine Komparatorschaltung (88 oder 130) zum Vergleichen eines Referenzpegels (E oder St) mit dem Pegel eines Spannungssignals (Vf oder Vi), das vom Signaldetektionsschaltkreis (82) des Impedanzdetektionsmittels (70) zugeführt wird; und einen Schaltkreis (90) zur Ausführung der Ein/Aus-Steuerung für das Anlegen von elektrischer Spannung an die Heizvorrichtung (66) auf der Grundlage des Ergebnisses des von der Komparatorschaltung (88 oder 130) durchgeführten Vergleichs.
Gassensor nach Anspruch 8, worin der Signaldetektionsschaltkreis (82) einen Filterkreis (86) zur Umwandlung des zwischen dem Elektrodenpaar erzeugten Wechselstromsignals in ein Spannungssignal (Vf) mit einem Pegel, der der Impedanz zwischen den Elektroden entspricht, umfasst.
Gassensor nach Anspruch 8, worin: der Wechselstromerzeugungsschaltkreis (80) so verdrahtet und angeschlossen ist, dass der Wechselstrom nicht nur zwischen dem Elektrodenpaar, sondern auch einem Widerstand (Rc) zugeführt wird, der so dimensioniert ist, dass sein Widerstandswert der normalen Impedanz zwischen den Elektroden entspricht, und worin der Signaldetektionsschaltkreis (82) Folgendes umfasst: einen ersten Detektionsschaltkreis (100) zum Umwandeln des zwischen den Elektroden erzeugten Wechselstroms in ein Spannungssignal (Vg) mit einem Pegel, der der Impedanz zwischen den Elektroden entspricht; einen zweiten Detektionsschaltkreis (102) zum Umwandeln eines im Widerstand (Rc) erzeugten Wechselstromsignals in ein Spannungssignal (Vg) mit einem Pegel, der der Impedanz des Widerstands entspricht, um als ein Referenzsignal (Vh) verwendet zu werden; und einen Differenzschaltkreis (104) zur Bestimmung der Differenz zwischen dem vom ersten Detektionsschaltkreis (100) ausgegebenen Spannungssignal (Vg) und dem vom zweiten Detektionsschaltkreis (102) ausgegebenen Referenzsignal (Vh) sowie zur Ausgabe der Differenz als ein Abweichungssignal (Vi).
Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, worin das Impedanzdetektionsmittel (70) die Impedanz zwischen einer der Elektroden (22, 24) des Hauptpumpmittels (26) und der Referenzelektrode (32) detektiert.
Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, worin das Hilfspumpmittel (52) ausgebildet ist.
Gassensor nach Anspruch 12, worin das Impedanzdetektionsmittel (70) die Impedanz zwischen der Referenzelektrode (32) und der Hilfspumpelektrode (50) detektiert.
Gassensor nach Anspruch 12, worin das Impedanzdetektionsmittel (70) die Impedanz zwischen der Hilfspumpelektrode (50) und einer der Elektroden (22, 24) des Hauptpumpmittels (26) detektiert.
Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 14, weiters umfassend: einen ersten Abschnitt (14) zur Bestimmung der Diffusionsrate, der am Durchlass zur Einführung des Messgases aus dem Außenraum in den ersten Innenraum (18) bereitgestellt ist, um dem Messgas einen vorbestimmten Diffusionswiderstand zu übertragen; und einen zweiten Abschnitt (16) zur Bestimmung der Diffusionsrate, der am Durchlass zur Einführung des Messgases nach der Pumpbearbeitung durch das Hauptpumpmittel (26) in den zweiten Innenraum (20) bereitgestellt ist, um dem Messgas einen vorbestimmten Diffusionswiderstand zu verleihen.
Gassensor nach Anspruch 15, weiters umfassend einen dritten Abschnitt (58) zur Bestimmung der Diffusionsrate, der am Durchlass für das Messgas zum Eintritt in die Detektionselektrode (56, 124) im zweiten Innenraum (20) bereitgestellt ist, um dem Messgas einen vorbestimmten Diffusionswiderstand zu verleihen.