DE69738007T2

DE69738007T2 - Gassensor, Verfahren zur Überwachung des Gassensors und der Gaskonzentration

Info

Publication number: DE69738007T2
Application number: DE69738007T
Authority: DE
Inventors: Nobuhide Ama-gun Aichi-pref. Kato; Noriyuki Okazaki-city Ina
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1996-06-28
Filing date: 1997-06-27
Publication date: 2008-07-31
Anticipated expiration: 2017-06-28
Also published as: EP0816836A3; JP3692182B2; JPH1019842A; US6036842A; EP0816836B1; DE69738007D1; EP0816836A2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gassensor, ein Verfahren zum Regeln desselben, einen Gaskonzentrationsregler und ein Verfahren zur Regelung der Gaskonzentration, die verwendet werden, um Oxide wie NO, NO₂, SO₂, CO₂ und H₂O, die beispielsweise in atmosphärischer Luft und Abgas enthalten sind, das von Fahrzeugen oder Autos abgegeben wird, sowie entflammbare Gase wie CO und CnHm zu messen.
Beschreibung des Standes der Technik
Seit einigen Jahren enthält Abgas, das aus Fahrzeugen oder Autos wie benzinbetriebenen Kraftfahrzeugen und dieselbetriebenen Kraftfahrzeugen abgegeben wird, Stickstoffoxide (NOx), wie Stickstoffmonoxid (NO) und Stickstoffdioxid (NO₂), sowie Kohlenmonoxid (CO), Kohlendioxid (CO₂), Wasser (H₂O), Kohlenwasserstoff (HC), Wasserstoff (H₂), Sauerstoff (O₂) usw. In einem solchen Abgas macht NO etwa 80% des gesamten NOx aus, und etwa 95% des gesamten NOx bestehen aus NO und NO₂.
Der Dreiweg-Katalysator, der verwendet wird, um das Abgas vom darin enthaltenen HC, CO und NOx zu reinigen, weist seine maximale Reinigungseffizienz in der Nähe des theoretischen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses (A/F = 14,6) auf. Wenn A/F so geregelt wird, dass sein Wert nicht unter 16 liegt, verringert sich die Menge des erzeugten NOx. Jedoch wird die Reinigungseffizienz des Katalysators verringert, und folglich besteht die Gefahr, dass die Menge an abgegebenem NOx zunimmt.
Um fossile Brennstoffe effizient zu nutzen und eine Erwärmung der Erdatmosphäre zu vermeiden, verlangt der Markt in letzter Zeit beispielsweise in zunehmendem Maße eine Eindämmung der CO₂-Ausstoßmenge. Um diese Forderung zu erfüllen wird es immer notwendiger, die Treibstoffeffizienz zu verbessern. Als Reaktion auf diese Forderung werden beispielsweise der Magermotor und der Katalysator zur NOx-Reinigung erforscht. Insbesondere wird ein NOx-Sensor immer notwendiger.
Als Instrument zum Detektieren von NOx war bisher eine herkömmliche NOx-Messzelle bekannt. Der Betrieb der herkömmlichen NOx-Messzelle basiert auf dem Einsatz chemischer Lumineszenzanalyse zur Messung einer Charakteristik von NOx. Die herkömmliche NOx-Messzelle ist jedoch aufgrund der Tatsache, dass das Instrument selbst extrem groß und teuer ist, unzweckmäßig.
Die herkömmliche NOx-Messzelle erfordert häufige Wartung, weil zur Detektion von NOx optische Teile verwendet werden. Des Weiteren sollte bei der Verwendung der herkömmlichen NOx-Messzelle zur NOx-Messung eine Probenahme durchgeführt werden, was bedeutet, dass es unmöglich ist, ein Detektionselement selbst direkt in ein Fluid einzuführen. Daher eignet sich die herkömmliche NOx-Messzelle nicht zur Analyse vorübergehender Phänomene wie jener, die in einem von einem Kraftfahrzeug abgegebenen Abgas auftreten, worin die Bedingungen häufig variieren.
Um die oben beschriebenen Nachteile zu beseitigen, ist ein Sensor zum Messen einer gewünschten Gaskomponente in einem Abgas vorgeschlagen worden, bei dem ein aus einem Sauerstoffion-leitenden Festelektrolyten bestehendes Substrat verwendet wird.
Ein Beispiel für den vorgeschlagenen herkömmlichen Gassensor ist ein Vielbereichs-Sauerstoffsensor, der in 12 dargestellt ist. Es ist auch ein Gassensor zur Messung von NOx bekannt, mit welchem ein Gas (z. B. NOx), das gebundenen Sauerstoff beinhaltet, gemessen wird, indem die Sauerstoffkonzentration im Gas unter Verwendung einer Sauerstoffpumpe auf einen konstant niedrigen Wert reduziert wird und dann weiters die Sauerstoffkonzentration reduziert wird, um NOx abzubauen, sodass der während dem Abbau produzierte Sauerstoff unter Verwendung einer Sauerstoffpumpe gemessen wird.
Zum Beispiel wird der in 12 dargestellte Gassensor erklärt. In diesem Gassensor wird eine Gleichspannung, die an eine Sauerstoffpumpe 104 anzulegen ist, einer Rückkopplungsregelung unterworfen, sodass die Spannung einer elektromotorischen Kraft, die zwischen einer Mess-Elektrode 100 und einer Bezugselektrode 102 erzeugt wird, konstant gehalten wird. Im Allgemeinen wird die Rückkopplungsregelung durch den Vergleich einer Vergleichsspannung als Ziel mit der elektromotorischen Kraft, die zwischen der Messelektrode 100 und der Bezugselektrode 102 unter Verwendung eines Komparators erzeugt wird, ausgeführt, welcher die Differenz, die vom Komparator erzeugt wird, verstärkt, um eine verstärkte Spannung zu erzeugen, die der Differenz vom Zielwert entspricht und die verstärkte Spannung an die Pumpe anlegt.
Jedoch treten beim herkömmlichen Gassensor Probleme auf, welche die folgenden zwei Punkte betreffen. Erstens ist die Rückkopplungsregelung, wenn z. B. die Verstärkung des Verstärkers im Gassensor, der in 12 dargestellt ist, extrem hoch sein soll, stark durch Schwingungen beeinträchtigt (erstes Problem). Zweitens ist es unmöglich, die Sauerstoffkonzentration genau zu messen, wenn das Messgas eine hohe Sauerstoffkonzentration aufweist (zweites Problem).
Zu Beginn wird insbesondere das erste Problem erklärt. Das erste Problem ist durch die Existenz einer beliebigen geometrischen Dimension der Messelektrode 100 und einer Pumpelektrode 108 verursacht, die in Kontakt mit einem Innenraum 106 ist. Wenn zum Beispiel die Sauerstoffkonzentration in der Umgebung der Messelektrode 100 geringer ist als der Zielwert, wird die Rückkopplungsregelung so ausgeführt, dass die Pumpspannung (Vp) erhöht wird. Dementsprechend ist die Pumpspannung Vp erhöht, der Sauerstoff im Innenraum 106 wird ausgepumpt und die Sauerstoffkonzentration im Innenraum 106 wird allmählich verringert. Jedoch wird aufgrund der Gegenwart der oben beschriebenen geometrischen Dimension der Rückgang der Sauerstoffkonzentration in verzögerter Form auf die Messelektrode 100 übertragen. Als Ergebnis wird die Sauerstoffkonzentration im Innenraum 106 niedriger als der Zielwert. Die geringere Sauerstoffkonzentration wird nach einer kurzen Verzöge rungszeit durch die Messelektrode 100 detektiert und die Rückkopplungsregelung wird so ausgeführt, dass die Pumpspannung Vp verringert wird.
In diesem Fall wird der Partialdruck von Sauerstoff im Innenraum 106 allmählich auf dieselbe Art und Weise wie oben beschrieben erhöht. Jedoch tritt aufgrund der geometrischen Dimension ein Phänomen auf, bei welchem die Sauerstoffkonzentration im Innenraum 106 übermäßig erhöht worden ist, wenn die Messelektrode 100 die Zunahme detektiert. Als Folge ist der Rückkopplungsregelungsschaltung druch Schwingungen beeinträchtigt.
Zur Lösung dieses Problems, tritt, wenn die Verstärkung des Verstärkers verringert wird, aus dem folgenden Grund ein Zustand der unzureichenden Regelung ein, wenn die Sauerstoffkonzentration im Messgas erhöht wird. Es ist nämlich notwendig, eine große Pumpspannung Vp anzuwenden, wenn die Sauerstoffkonzentration im Messgas erhöht wird. Jedoch kann die Pumpspannung Vp aufgrund des geringen Anstiegs nicht auf einen gewünschten Wert erhöht werden.
Als nächstes wird das zweite Problem erläutert. Im Allgemeinen wird der Sauerstoffsensor vom Grenzstromtyp, der auf der Verwendung der Sauerstoffpumpe basiert, durch allgemein bekannte Sensoren veranschaulicht, wie in den 13 und 14, in welchen eine konstante Pumpspannung Vp zwischen die Luftelektrode 110 und eine Elektrode 112 angelegt wird, die auf der Seite des Abgases angeordnet ist, sodass die Sauerstoffkonzentration basierend auf einem Wert eines Stromflusses dazwischen gemessen wird. Beim Betrieb des oben beschriebenen Sensors wird die konstante Pumpspannung Vp angelegt. Daher wird zum Beispiel, wenn die Sauerstoffkonzentration zunimmt, der der elektromotorischen Kraft entsprechende Wert um den der Impedanz der Sauerstoffpumpe entsprechenden Wert verringert. Als Ergebnis wird die eigentlich zu kontrollierende Sauerstoffkonzentration erhöht. In einer solchen Situation ist es unmöglich, die Sauerstoffkonzentration präzise zu messen (in 15 ist in einer charakteristischen Kurve die Sauerstoffkonzentration bei Punkt B höher als bei Punkt A).
Andererseits offenbart die japanische Gebrauchsmuster-Veröffentlichung Nr. 7-45004 ein System, bei dem eine einem Pumpstrom entsprechende Spannung unter Verwendung eines Operationsverstärkers erzeugt wird. Die Spannung wird über einen Rückkopplungswiderstand zum Operationsverstärker zurückgeleitet und wird einem Widerstand zugeführt, der mit einer Spannungsquelle in Serie geschaltet ist. Wenn der Pumpstrom erhöht wird, wird die vom Widerstand erzeugte Spannung überlagert und an die Pumpe angelegt.
Dieses System umfasst eine Schaltung, wie in 16 gezeigt. Das Ausgangssignal des Operationsverstärkers OP wird über den Rückkopplungswiderstand R1 zu einer Eingangsklemme auf einer Seite einer Luftelektrode 110 zurückgeführt, so dass an einem Ausgangspunkt A die dem Pumpstrom entsprechende Spannung erzeugt wird. Andererseits wird das Ausgangssignal über den Widerstand R2 zu einer Eingangsklemme einer Elektrode 112 auf der Seite des Abgases zurückgeführt, und der Strom kann über den Widerstand r fließen, so dass eine Spannungsquellenspannung V_ε mit einer im Widerstand r erzeugten Spannungshöhe überlagert wird.
Wenn der mit der Spannungsquelle in Serie geschaltete Widerstand entsprechend dimensioniert ist, wird die Pumpspannung Vp einer Spannung überlagert, die der (tatsächlichen Pumpenimpedanz × Pumpstrom) entspricht, so dass sich der Arbeitspunkt an einem von bestimmten flachen Abschnitten auf Grenzstrom-Kennlinien befindet, wie in 17 gezeigt. So wird die Sauerstoffkonzentration mit einem hohen Ausmaß an Genauigkeit gemessen.
Jedoch wird, wenn die Sauerstoffkonzentration in einem Messgas erhöht wird, der dem Spannungsabfall entsprechende Wert erhöht und wird weit höher als der der elektromotorischen Kraft entsprechende Wert. Daher ist es schwierig, den Gassensor bei einem Arbeitspunkt zu betreiben, der genau einer bestimmten elektromotorischen Kraft entspricht.
Wenn sich die Temperatur des Abgases stark verändert, wie das bei einem Kraftfahrzeug der Fall ist, ist der Sensor in manchen Fällen mit einer Heizeinrichtung ver sehen, für die ein Mechanismus vorgesehen ist, um die elektrische Leistung zu regeln, die der Heizeinrichtung zuzuführen ist. Auch wenn ein derartiges System zum Einsatz kommt, wird die Impedanz der Sauerstoffpumpe 108 leicht verändert. Wenn der Pumpstrom erhöht wird, tritt beim Korrigieren für das dem Spannungsabfall entsprechende Ausmaß ein großer Fehler auf. Folglich ist es schwierig, die hohe Sauerstoffkonzentration korrekt zu messen.
Dieses Problem ist insbesondere dann sehr schwerwiegend, wenn die Pumpe als Sauerstoffkonzentrationsregler verwendet wird. Wenn die Pumpe als Sauerstoffsensor verwendet wird, wird, auch wenn die Sauerstoffkonzentration im Messgas erhöht wird, der Pumpstrom erhöht und die Sauerstoffkonzentration wird im Messraum von 10^–10 atm auf 10^–3 atm erhöht, und dann wird die Veränderung des Stroms auf Basis der Veränderung der Sauerstoffkonzentration verglichen mit dem erhöhten Pumpstrom höchstens in etwa mehrere Prozent. Wenn die Pumpe jedoch als Sauerstoffkonzentrationsregler verwendet wird, macht die Veränderung der Sauerstoffkonzentration hingegen genau die große Veränderung von 10^–10 atm auf 10^–3 atm aus, die tatsächlich vorliegt.
Wie oben beschrieben ist der herkömmliche Gassensor mit dem ersten Problem behaftet, dass das Rückkopplungsregelungssystem Schwingungen ausgesetzt ist, wenn die an die Sauerstoffpumpe angelegte Spannung auf Basis der elektromotorischen Kraft zwischen der Messelektrode und der Bezugselektrode geregelt wird, und das zweite Problem ist, dass es unmöglich ist, den Fehler des dem Spannungsabfall, der aus der Impedanz der Sauerstoffpumpe resultiert, entsprechenden Ausmaßes auszugleichen.
Ein anderer bekannter Gassensor ist in EP-1-678740 offenbart, in welchem erste und zweite Räume bereitgestellt sind. Im zweiten Raum sind Pumpelektroden vorgesehen. Eine separate Messelektrode wird ebenfalls zur Messung der Spannung zwischen einer Bezugselektrode in einem dritten Raum und der Messelektrode bereitgestellt.
EP0678740 (2) offenbart einen Gassensor, der einen ersten Raum 6 umfasst, ein Gaspumpmittel mit einer inneren Elektrode 16 und einer äußeren Elektrode 18, eine Pumpspannungsquelle 20, einen zweiten Raum 10, eine elektrochemische Zelle mit einer Bezugselektrode 24 und eine Elektrode 22, worin sich ein Elektrolytpfad in dem Substrat von der Bezugselektrode 24 zur Elektrode 22 erstreckt, und es ist ein Spannungseinstellungssteuermittel zur Anpassung des Werts der Steuerspannung auf Basis der Spannung der elektrochemischen Zelle bereitgestellt (siehe Pfeil in 2 auf die Spannungsquelle 20). Die Eigenschaft eines Stromdetektionsmittels (R) zur Detektion eines Stromflusses durch die Gaspumpmittel, wenn diese Gaskomponente durch Gaspumpmittel ausgepumpt wird, ist ebenfalls als Widerstand „R" offenbart, der sich zwischen Elektrode 18 und der Pumpquelle 20 befindet.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung ist unter Berücksichtung der oben genannten Probleme gemacht worden, und eines ihrer Ziele ist die Bereitstellung eines Gassensors, eines Verfahrens zur Regelung eines Gassensors, eines Gaskonzentrationsreglers und eines Verfahrens zur Regelung der Gaskonzentration, die es ermöglichen, wirksam das Schwingungsphänomen eines Rückkopplungsregelungssystems für eine Steuerspannung zu vermeiden, die beispielsweise an eine Sauerstoffpumpe angelegt wird, z. B. wenn die Sauerstoffpumpe verwendet wird.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen Gassensor, ein Verfahren zur Regelung eines Gassensors, einen Gaskonzentrationsregler und ein Verfahren zur Regelung der Gaskonzentration bereitzustellen, die es ermöglichen, den Fehler in dem Ausmaß aufzufangen, das dem aus der Impedanz der Sauerstoffpumpe resultierenden Spannungsabfall entspricht, so dass die Sauerstoffkonzentration präzise detektiert werden kann.
Die vorliegende Erfindung stellt einen Gassensor nach Anspruch 1 bereit.
In der vorliegenden Erfindung wird das Messgas zunächst in den ersten Raum eingebracht. Zu diesem Zeitpunkt wird die Messeinrichtung betätigt, um die Klemmenspannung zwischen der inneren Elektrode des Gaspumpmittels und der Bezugselektrode zu messen, die auf der Seite des zweiten Raums ausgebildet ist. Die gemessene Spannung wird dem Spannungseinstellungssteuermittel zugeführt. Das Spannungseinstellungssteuermittel stellt auf Basis der gemessenen Spannung den Pegel der Steuerspannung ein, die dem Gaspumpmittel zuzuführen ist. Das Gaspumpmittel pumpt eine Menge der vorbestimmten Gaskomponente heraus, die im Messgas enthalten ist, das in den ersten Raum eingebracht wird, wobei die Menge dem Pegel der Steuerspannung entspricht. Das Anlegen der Steuerspannung mit eingestelltem Pegel an das Gaspumpmittel ermöglicht es, die Konzentration der vorbestimmten Gaskomponente im ersten Raum einer Rückkopplungsregelung zu unterziehen, so dass ein vorbestimmter Pegel erreicht wird.
In der vorliegenden Erfindung ist die gemessene Spannung, die vom Messmittel gemessen wird, um sie zum Einstellen des Pegels der Steuerspannung einzusetzen, die Klemmenspannung zwischen der inneren Elektrode des Gaspumpmittels und der Bezugselektrode, die im zweiten Raum angeordnet ist. Dem gemäß wird, wenn sich die Menge der vorbestimmten Gaskomponente, die vom Gaspumpmittel ausgepumpt wird, ändert und sich die Konzentration der Gaskomponente im ersten Raum ändert, die Klemmenspannung zwischen der inneren Elektrode des Gaspumpmittels und der Bezugselektrode ohne zeitliche Verzögerung verändert. Daher wird das Schwingungsphänomen in der Rückkopplungsregelung unterdrückt.
Das Spannungseinstellungssteuermittel ist mit einem Vergleichsmittel versehen, um eine Abweichung zwischen der Spannung der elektromotorischen Kraft und einer Vergleichsspannung zu bestimmen, und der Pegel der Steuerspannung wird auf Basis der vom Vergleichsmittel erhaltenen Abweichung eingestellt. Bei dieser Ausführungsform wird die Steuerspannung einer Rückkopplungsregelung unterzogen, so dass die Klemmenspannung zur Vergleichsspannung konvergiert.
Gemäß der vorliegenden Erfindung, die wie oben beschrieben hergestellt worden ist, umfasst der Gassensor weiters ein Stromdetektionsmittel zur Detektion eines Stromflusses durch das Gaspumpmittel, wenn die Gaskomponente durch das Gaspumpmittel ausgepumpt wird, und ein Vergleichsspannungsanpassungsmittel zur Anpassung des Pegels der Vergleichsspannung auf Basis eines Stromwerts, der durch das Stromdetektionsmittel detektiert wird.
Im Allgemeinen fließt der Strom durch die Gaspumpe, wenn die vorbestimmte Gaskomponente vom Gaspumpmittel ausgepumpt wird. Daher erscheint das Ausmaß, das dem aus der Impedanz der Gaspumpe resultierenden Spannungsabfall entspricht, als Fehler bei der Pegel-Einstellung für die Steuerspannung. Jedoch wird gemäß vorliegender Erfindung der durch das Gaspumpmittel fließende Strom detektiert, und der Wert des detektierten Stroms spiegelt sich in der Vergleichsspannung wider. Daher wird der Fehler wirksam aufgefangen und das Schwingungsphänomen tritt in der Rückkopplungsregelung für das Gaspumpmittel nicht auf, was eine präzise Durchführung der Rückkopplungsregelung ermöglicht. So kann die Konzentration der vorbestimmten Gaskomponente, die im in den ersten Raum eingebrachten Messgas enthalten ist, mit einem hohen Ausmaß an Genauigkeit detektiert werden.
Es ist vorzugsweise ein Gasdiffusionsgeschwindigkeitsbestimmungs-Teil zum Bereitstellen eines vorbestimmten Diffusionswiderstands für das Messgas an einem Durchlass zum Einbringen des Messgases in den ersten Raum vorgesehen. Der Gassensor umfasst des Weiteren vorzugsweise einen dritten Raum zum Einbringen des Messgases aus dem ersten Raum in diesen; einen zweiten Gasdiffusionsgeschwindigkeitsbestimmungs-Teil, der an einem Durchlass zum Einbringen des Messgases in den dritten Raum bereitgestellt ist, um für das Messgas einen vorbestimmten Diffusionswiderstand bereitzustellen; ein im dritten Raum angeordnetes Messgas-Zersetzungsmittel zum Zersetzen und Abbauen der vorbestimmten Gaskomponente im Messgas; und ein Gaskomponenten-Detektionsmittel zum Detektieren der durch das Messgas-Zersetzungsmittel zersetzten und abgebauten vorbestimmten Gaskomponente. Alternativ dazu umfasst der Gassensor vorzugsweise des Weiteren ein Gaskomponenten-Zufuhrmittel zum Zuführen der vorbestimmte Gaskomponente zum dritten Raum; sowie ein Gaskomponenten-Detektionsmittel zum Detektieren der vom Gaskomponenten-Zufuhrmittel zugeführten Gaskomponente. Die Menge der vorbestimmten Gaskomponente, die im Messgas enthalten ist, kann wirksam geregelt werden, was es ermöglicht, beispielsweise die Menge an Oxiden oder entflammbaren Gasen, die im Messgas enthalten sind, mit einem hohen Grad an Genauigkeit zu messen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Regelung eines Gassensors nach Anspruch 6 bereitgestellt.
Zunächst wird das Messgas in den ersten Raum eingebracht. Zu diesem Zeitpunkt wird die Klemmenspannung zwischen der inneren Elektrode des Gaspumpmittels und der Bezugselektrode, die auf der Seite des zweiten Raums ausgebildet ist, gemessen. Der Pegel der Steuerspannung, die dem Gaspumpmittel zuzuführen ist, wird auf Basis der gemessenen Spannung angepasst. Das Gaspumpmittel pumpt eine Menge der vorbestimmten Gaskomponente heraus, die im Messgas enthalten ist, das in den ersten Raum eingebracht wird, wobei die Menge dem Pegel der Steuerspannung entspricht. Das Anlegen der Steuerspannung mit eingestelltem Pegel an das Gaspumpmittel ermöglicht es, die Konzentration der vorbestimmten Gaskomponente im ersten Raum einer Rückkopplungsregelung zu unterziehen, so dass ein vorbestimmter Pegel erreicht wird.
Die gemessene Spannung, die gemessen wird, um sie zum Einstellen des Pegels der Steuerspannung einzusetzen, ist die Klemmenspannung zwischen der inneren Elektrode des Gaspumpmittels und der Bezugselektrode, die im zweiten Raum angeordnet ist. Dem gemäß wird, wenn sich die Menge der vorbestimmten Gaskomponente, die vom Gaspumpmittel ausgepumpt wird, ändert und sich die Konzentration der Gaskomponente im ersten Raum ändert, die Klemmenspannung zwischen der inneren Elektrode des Gaspumpmittels und der Bezugselektrode ohne zeitliche Verzögerung verändert. Daher wird das Schwingungsphänomen in der Rückkopplungsregelung unterdrückt.
Die Steuerspannung wird zur Bestimmung einer Abweichung zwischen der Spannung der elektromotorischen Kraft und einer Vergleichsspannung angepasst und der Pegel der Steuerspannung wird auf Basis der erhaltenen Abweichung angepasst. Die Steuerspannung wird einer Rückkopplungsregelung unterworfen, sodass die gemessene Spannung zur Vergleichsspannung konvergiert.
In der Regelung des Gassensors wird ein Strom, der durch das Gaspumpmittel fließt, vorzugsweise detektiert, wenn die Gaskomponente vom Gaspumpmittel ausgepumpt wird und ein Pegel der Vergleichsspannung auf Basis eines Werts des detektierten Stroms angepasst wird.
Im Allgemeinen fließt der Strom durch die Gaspumpe, wenn die vorbestimmte Gaskomponente vom Gaspumpmittel ausgepumpt wird. Daher erscheint das Ausmaß, das dem aus der Impedanz der Gaspumpe resultierenden Spannungsabfall entspricht, als Fehler bei der Pegel-Einstellung für die Steuerspannung. Der durch das Gaspumpmittel fließende Strom wird detektiert, und der Wert des detektierten Stroms spiegelt sich in der Vergleichsspannung wider. Daher wird der Fehler wirksam aufgefangen, und das Schwingungsphänomen wird in der Rückkopplungsregelung für das Gaspumpmittel unterdrückt, was eine präzise Durchführung der Rückkopplungsregelung ermöglicht. So kann die Konzentration der vorbestimmten Gaskomponente, die im in den ersten Raum eingebrachten Messgas enthalten ist, mit einem hohen Ausmaß an Genauigkeit detektiert werden.
In dem Verfahren zur Regelung des Gassensors ist vorzugsweise ein Gasdiffusionsgeschwindigkeitsbestimmungs-Teil zum Bereitstellen eines vorbestimmten Diffusionswiderstands für das Messgas an einem Durchlass zum Einbringen des Messgases in den ersten Raum vorgesehen. Der Gassensor umfasst des Weiteren vorzugsweise einen dritten Raum zum Einbringen des Messgases aus dem ersten Raum in diesen; einen zweiten Gasdiffusionsgeschwindigkeitsbestimmungs-Teil, der an einem Durchlass zum Einbringen des Messgases in den dritten Raum bereitgestellt ist, um für das Messgas einen vorbestimmten Diffusionswiderstand bereitzustellen; ein im dritten Raum angeordnetes Messgas-Zersetzungsmittel zum Zersetzen und Ab bauen der vorbestimmten Gaskomponente im Messgas; und ein Gaskomponenten-Detektionsmittel zum Detektieren der durch das Messgas-Zersetzungsmittel zersetzten und abgebauten vorbestimmten Gaskomponente. Alternativ dazu umfasst der Gassensor vorzugsweise des Weiteren ein Gaskomponenten-Zufuhrmittel zum Zuführen der vorbestimmte Gaskomponente zum dritten Raum; sowie ein Gaskomponenten-Detektionsmittel zum Detektieren der vom Gaskomponenten-Zufuhrmittel zugeführten Gaskomponente. Die Menge der vorbestimmten Gaskomponente, die im Messgas enthalten ist, kann wirksam geregelt werden, was es ermöglicht, beispielsweise die Menge an Oxiden oder entflammbaren Gasen, die im Messgas enthalten sind, mit einem hohen Grad an Genauigkeit zu messen.
Zunächst wird das Messgas über den Gasdiffusionsgeschwindigkeitsbestimmungs-Teil in den ersten Raum eingebracht. Zu diesem Zeitpunkt wird die Messeinrichtung betätigt, um die Klemmenspannung zwischen der inneren Elektrode des Gaspumpmittels und der Bezugselektrode zu messen, die auf der Seite des zweiten Raums ausgebildet ist. Die gemessene Spannung wird dem ersten Spannungseinstellungssteuermittel zugeführt. Das erste Spannungseinstellungssteuermittel stellt auf Basis der gemessenen Spannung den Pegel der Steuerspannung ein, die dem Gaspumpmittel zuzuführen ist. Das Gaspumpmittel pumpt eine Menge der vorbestimmten Gaskomponente heraus, die im Messgas enthalten ist, das in den ersten Raum eingebracht wird, wobei die Menge dem Pegel der Steuerspannung entspricht. Das Anlegen der Steuerspannung mit eingestelltem Pegel an das Gaspumpmittel ermöglicht es, die Konzentration der vorbestimmten Gaskomponente im ersten Raum einer Rückkopplungsregelung zu unterziehen, so dass ein vorbestimmter Pegel erreicht wird.
Die gemessene Spannung, die vom Messmittel gemessen wird, um sie zum Einstellen des Pegels der Steuerspannung einzusetzen, ist die Klemmenspannung zwischen der inneren Elektrode des Gaspumpmittels und der Bezugselektrode, die im zweiten Raum angeordnet ist. Dem gemäß wird, wenn sich die Menge der vorbestimmten Gaskomponente, die vom Gaspumpmittel ausgepumpt wird, ändert und sich die Konzentration der Gaskomponente im ersten Raum ändert, die Klemmen spannung zwischen der inneren Elektrode des Gaspumpmittels und der Bezugselektrode ohne zeitliche Verzögerung verändert. Daher wird das Schwingungssphänomen in der Rückkopplungsregelung unterdrückt.
Das Spannungseinstellungssteuermittel ist mit einem Vergleichsmittel versehen, um eine Abweichung zwischen der Spannung der elektromotorischen Kraft und einer Vergleichsspannung zu bestimmen, und der Pegel der Steuerspannung wird auf Basis der vom Vergleichsmittel erhaltenen Abweichung eingestellt. Bei dieser Ausführungsform wird die Steuerspannung einer Rückkopplungsregelung unterzogen, so dass die Klemmenspannung zur Vergleichsspannung konvergiert.
Gemäß der vorliegenden Erfindung, die wie oben beschrieben hergestellt worden ist, umfasst der Gaskonzentrationsregler weiters vorzugsweise ein Stromdetektionsmittel zur Detektion eines Stromflusses durch das Gaspumpmittel, wenn die Gaskomponente durch das Gaspumpmittel herausgepumpt wird, und ein Vergleichsspannungsanpassungsmittel zur Anpassung eines Pegels der Vergleichsspannung auf Basis eines Stromwerts, der durch das Stromdetektionsmittel detektiert wird.
Im Allgemeinen fließt der Strom durch die Gaspumpe, wenn die vorbestimmte Gaskomponente vom Gaspumpmittel ausgepumpt wird. Daher erscheint das Ausmaß, das dem aus der Impedanz der Gaspumpe resultierenden Spannungsabfall entspricht, als Fehler bei der Pegel-Einstellung für die Steuerspannung. Der durch das Gaspumpmittel fließende Strom wird detektiert, und der Wert des detektierten Stroms spiegelt sich in der Vergleichsspannung wider. Daher wird der Fehler wirksam aufgefangen, und das Schwingungsphänomen wird in der Rückkopplungsregelung für das Gaspumpmittel unterdrückt, was eine präzise Durchführung der Rückkopplungsregelung ermöglicht. So kann die Konzentration der vorbestimmten Gaskomponente, die im in den ersten Raum eingebrachten Messgas enthalten ist, mit einem hohen Ausmaß an Genauigkeit detektiert werden.
In einer anderen Ausführungsform wird ein Strom, der durch das Substrat fließt, vorzugsweise detektiert, wenn die vorbestimmte Gaskomponente herausgepumpt wird und ein Pegel der Vergleichsspannung wird auf Basis eines Werts des detektierten Stroms angepasst.
Im Allgemeinen fließt der Strom durch das Substrat, wenn die vorbestimmte Gaskomponente herausgepumpt wird. Deshalb erscheint die Menge, die dem aus der Impedanz des Substrats resultierenden Spannungsabfall entspricht, als Fehler für die Pegelanpassung für die Steuerspannung. Jedoch wird gemäß der vorliegenden Erfindung der Stromfluss durch das Substrat detektiert und der Wert des detektierten Stroms spiegelt sich in der Vergleichsspannung wider. Daher wird der Fehler wirksam aufgefangen, und das Schwingungsphänomen wird in der Rückkopplungsregelung für die Steuerspannung unterdrückt, was eine präzise Durchführung der Rückkopplungsregelung ermöglicht. So kann die Konzentration der vorbestimmten Gaskomponente, die im in den ersten Raum eingebrachten Messgas enthalten ist, mit einem hohen Ausmaß an Genauigkeit detektiert werden.
Vorzugsweise wird dem Messgas ein vorbestimmter Diffusionswiderstand verliehen, wenn das Messgas in den ersten Raum eingeführt wird.
Die obigen und andere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen klar werden, in denen eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung anhand eines veranschaulichenden Beispiels gezeigt wird.
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt eine schematische Anordnung, in welcher der Gassensor an einen Gassensor angelegt wird, um Oxide wie z. B. NO, NO₂, SO₂, CO₂ und H₂O, die beispielsweise in atmosphärischer Luft und Abgas enthalten sind, das von Fahrzeugen oder Autos abgegeben wird, sowie entflammbare Gase wie CO und CnHm zu messen.
2 zeigt eine beschriebene Anordnung des Gassensors.
3 zeigt eine schematische Anordnung eines modifizierten Gassensors.
4 zeigt eine spezifizierte Anordnung des modifizierten Gassensors.
5 zeigt eine spezifizierte Anordnung eines Gassensors zur Messung von Oxiden, wie z. B. NO, NO₂, SO₂, CO₂ und H₂O, die beispielsweise in atmosphärischer Luft und Abgas enthalten sind, das von Fahrzeugen oder Autos abgegeben wird, sowie zur Messung entflammbarer Gase wie CO und CnHm.
6 zeigt eine Tabelle zum Vergleich der tatsächlichen Mengen, die der in einem Vergleichsbeispiel erhaltenen elektromotorischen Kraft entsprechen, mit jenen, die in einem Arbeitsbeispiel erhalten werden, in welchem es beabsichtigt ist, die Menge, die der elektromotorischen Kraft entspricht, auf 400 mV zu korrigieren und zu steuern, wenn sich die Sauerstoffkonzentration im Messgas verändert.
7 zeigt eine Grenzstrom-Kennlinie des Gassensors hinsichtlich des Vergleichsbeispiels.
8 zeigt eine Grenzstrom-Kennlinie des Gassensors hinsichtlich des Arbeitsbeispiels.
9 zeigt eine Grenzstrom-Kennlinie des Gassensors hinsichtlich des Vergleichsbeispiels, die einen Korrekturzustand nach einem Testauto-Lauf über 30.000 km veranschaulicht, bei dem ein Testauto mit einem 4-Zylinder-Reihenmotor mit 2,0 l verwendet wird.
10 zeigt eine Grenzstrom-Kennlinie des Gassensors hinsichtlich des Arbeitsbeispiels, die einen Korrekturzustand nach einem Testauto-Lauf über 30.000 km veranschaulicht, bei dem ein Testauto mit einem 4-Zylinder-Reihenmotor mit 2,0 l verwendet wird.
11 zeigt eine spezifizierte Anordnung eines modifizierten Gassensors.
12 zeigt eine Anordnung, die einen herkömmlichen Vielbereichs-Sauerstoffgassensor veranschaulicht.
13 zeigt eine Anordnung, die einen Grenzstrom-Sauerstoffsensor (Nr. 1), basierend auf der Verwendung der herkömmlichen Sauerstoffpumpe, veranschaulicht.
14 zeigt eine Anordnung, die einen Grenzstrom-Sauerstoffsensor (Nr. 2), basierend auf der Verwendung der herkömmlichen Sauerstoffpumpe, veranschaulicht.
15 zeigt eine Grenzstrom-Kennlinie des Grenzstrom-Sauerstoffsensors, basierend auf der Verwendung der herkömmlichen Sauerstoffpumpe.
16 zeigt eine Anordnung, die einen anderen herkömmlichen Gassensor veranschaulicht.
17 zeigt eine Grenzstrom-Kennlinie einer Gaspumpe, die den anderen herkömmlichen Gassensor betrifft.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Nachstehend werden unter Bezugnahme auf die 1 bis 11 zwei Gassensoren zum Messen von Oxiden wie NO, NO₂, SO₂, CO₂ und H₂O erklärt, die beispielsweise in atmosphärischer Luft und in aus Fahrzeugen und Autos abgegebenem Abgas enthalten sind, sowie von entflammbaren Gasen wie CO und CnHm.
Wie in den 1 und 2 gezeigt, umfasst der Gassensor zunächst beispielsweise sechs aufeinandergeschichtete Festelektrolytschichten 10a bis 10f, die aus Keramikmaterial bestehen, das auf der Verwendung von Sauerstoffion-leitenden Festelektrolyten wie ZrO₂ basiert. Die erste und die zweite Schicht von unten werden als erste bzw. zweite Substratschicht 10a, 10b bezeichnet. Die dritte und die fünfte Schicht von unten werden als erste bzw. zweite Abstandshalterschicht 10c, 10e be zeichnet. Die vierte und die sechste Schicht von unten werden als erste bzw. zweite Festelektrolytschicht 10d, 10f bezeichnet.
Im Detail ist die erste Abstandshalterschicht 10c auf die zweite Substratschicht 10b geschichtet. Die erste Festelektrolytschicht 10d, die zweite Abstandshalterschicht 10e und die zweite Festelektrolytschicht 10f sind nacheinander auf die erste Abstandshalterschicht 10c geschichtet. Eine Heizeinrichtung 12 zur Steigerung der Sauerstoffion-Leitfähigkeit ist durch einen isolierenden Film 14 zwischen der ersten und der zweiten Substratschicht 10a, 10b eingebettet.
Ein (als Gaseinbringungsraum bezeichneter) Raum 16, in den ein Referenzgas wie atmosphärische Luft als Referenz zum Messen von Oxiden eingebracht wird, ist zwischen der zweiten Substratschicht 10b und der ersten Festelektrolytschicht 10d ausgebildet, wobei der Raum 16 von einer Unterfläche der ersten Festelektrolytschicht 10d, einer Deckfläche der zweiten Substratschicht 10b und Seitenflächen der ersten Abstandshalterschicht 10c begrenzt wird.
Ein Raum (Gaseinbringungsraum) 18, in den ein Messgas eingebracht wird, ist zwischen der ersten und der zweiten Festelektrolytschicht 10d, 10f ausgebildet, wobei der Raum 18 von einer Unterfläche der zweiten Festelektrolytschicht 10f, einer Deckfläche der ersten Elektrolytschicht 10d und Seitenflächen der zweiten Abstandshalterschicht 10e begrenzt wird. Ein Diffusionsgeschwindigkeitsbestimmungs-Teil 20, der mit dem Gaseinbringungsraum 18 kommuniziert, ist durch die oberste zweite Festelektrolytschicht 10f hindurch ausgebildet. Der Diffusionsgeschwindigkeitsbestimmungs-Teil 20 ist vorgesehen, um dem Messgas, das in den Gaseinbringungsraum 18 einzubringen ist, einen vorbestimmten Diffusionswiderstand zu verleihen. Der Diffusionsgeschwindigkeitsbestimmungs-Teil 20 kann als Durchlass ausgebildet sein, der beispielsweise aus porösem Material besteht, oder als kleines Loch mit einer vorbestimmten Querschnittsfläche, so dass das Messgas eingebracht werden kann.
Eine erste Elektrode (innere Pumpelektrode 24a) zur Konstruktion einer Sauerstoffpumpe 22, wie weiter unten beschrieben, ist auf einem Abschnitt der Unterfläche der zweiten Festelektrolytschicht 10f zum Bilden des Gaseinbringungsraums 18 ausgebildet. Eine zweite Elektrode (äußere Pumpelektrode 24b) zur Konstruktion der Sauerstoffpumpe 22 ist auf der Deckfläche der zweiten Festelektrolytschicht 10f ausgebildet.
Eine Bezugselektrode 26 zum Messen des Partialdrucks von im Messgas enthaltenem Sauerstoff ist auf einem Abschnitt der Unterfläche der ersten Festelektrolytschicht 10d zum Bilden des Referenzgas-Einbringungsraums 16 ausgebildet.
Bei dieser Anordnung wird eine elektromotorische Kraft einer Sauerstoffkonzentrationszelle auf Basis einer Differenz zwischen einem Sauerstoff-Partialdruck in der atmosphärischen Luft, die in den Referenzgas-Einbringungsraum 16 eingebracht wird, und einem Sauerstoff-Partialdruck im in den Gaseinbringungsraum 18 eingebrachten Messgas erzeugt. Die elektromotorische Kraft ist durch eine elektrische Potentialdifferenz V zwischen dem Referenzgas-Einbringungsraum 16 und dem Gaseinbringungsraum 18 repräsentiert. Die elektrische Potentialdifferenz V kann nach der folgenden Nernst-Gleichung bestimmt werden: V = RT/4F·In(P1(O2)/P0(O2))

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

Daher kann der Sauerstoff-Partialdruck im Gaseinbringungsraum 18 detektiert werden, indem unter Einsatz eines Voltmeters 28 die auf Basis der Nernst-Gleichung erzeugte elektrische Potentialdifferenz V gemessen wird.
Die innere Pumpelektrode 24a und die äußere Pumpelektrode 24b, die auf der inneren bzw. der äußeren Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 10f ausgebildet sind, bilden die Sauerstoffpumpe 22, mit der der Sauerstoff-Partialdruck im Messgas, das in den Gaseinbringungsraum 18 eingebracht wird, auf einen vorbestimmten Wert eingestellt wird. Genauer gesagt fungiert die Festelektrolytschicht, die aus einem Material wie ZrO₂ besteht, das über die Sauerstoffion-Leitfähigkeit verfügt, als Pumpe, die beim Anlegen einer Spannung Sauerstoff auspumpt. Die beiden Pumpelektroden 24a, 24b bilden ein Spannungsanlegemittel, durch das es ermöglicht wird, dass die Festelektrolytschicht den Pumpvorgang durchführt.
Im Allgemeinen wird eine Pumpspannung Vp, die auf Basis der vom Voltmeter 28 detektierten elektrischen Potentialdifferenz V eingestellt ist, mit Hilfe einer variablen Spannungsquelle 30 zwischen der inneren Pumpelektrode 24a und der äußeren Pumpelektrode 24b angelegt. Entsprechend dem Anlegen der Pumpspannung Vp wird von der Sauerstoffpumpe 22 Sauerstoff aus dem Gaseinbringungsraum 18 heraus oder in diesen hinein gepumpt. Entsprechend wird der Sauerstoff-Partialdruck im Gaseinbringungsraum 18 auf einen vorbestimmten Wert eingestellt.
Der Gassensor ist so angeordnet, dass die Spannung zwischen der inneren Pumpelektrode 24a und der Bezugselektrode 26 gemessen wird, um eine Differenz zwischen der gemessenen Spannung und der Bezugsspannung zu ermitteln, so dass die Pumpspannung Vp auf Basis der ermittelten Spannungsdifferenz oder Differenzspannung geregelt wird.
Genauer gesagt ist, wie in 2 gezeigt, der Gassensor wie folgt verdrahtet und angeschlossen: Der Gassensor ist mit einem Vergleichsverstärker 32 versehen, um die Bezugsspannung Vb mit der Klemmenspannung zwischen der Bezugselektrode 26 und der inneren Pumpelektrode 24 zu vergleichen, um einen Wert zu erhalten, der einer Differenz zwischen diesen entspricht, und den der Differenz entsprechenden Wert mit einer vorbestimmten Verstärkung zu verstärken, um ein Ausgangssignal zu erhalten. Die Ausgangsspannung (Differenzspannung) vom Vergleichsverstärker 32 wird als die der Sauerstoffpumpe 22 zugeführte Pumpspannung Vp zwischen der in neren Pumpelektrode 24a und der äußeren Pumpelektrode 24b angelegt. Die innere Pumpelektrode 24a ist geerdet.
Als nächstes wird der Betrieb der Gaspumpe erklärt. Zunächst wird das Messgas über den Diffusionsgeschwindigkeitsbestimmungs-Teil 20 in den Gaseinbringungsraum 18 eingebracht. Zu diesem Zeitpunkt wird die Klemmenspannung, die zwischen der inneren Pumpelektrode 24a der Sauerstoffpumpe 22 und der Bezugselektrode 26 erhalten wird, die auf der Seite des Bezugsgas-Einbringungsraums 16 angelegt wird, zum Beispiel an eine invertierende Klemme des Vergleichsverstärkers 32 angelegt. Der Vergleichsverstärker 32 bestimmt die Differenz zwischen der Klemmenspannung, die dem invertierenden Anschluss zugeführt wird, und der Bezugsspannung Vb, die einem nicht-invertierenden Anschluss zugeführt wird. Eine Pumpspannung (Ausgangsspannung) Vp, die durch Verstärkung der Differenz mit einem vorbestimmten Zuwachs erhalten wird, wird von einem Ausgangsanschluss des Vergleichsverstärkers 32 ausgegeben. Die Ausgangsspannung Vp wird an der äußeren Pumpelektrode 24 der Sauerstoffpumpe 22 angelegt. Die innere Pumpelektrode 24a hat ein elektrisches End-Potenzial (0 V). Folglich entspricht die Spannung zwischen den beiden Elektroden der Sauerstoffpumpe 22 der Ausgangsspannung Vp des Vergleichsverstärkers 32. Deshalb pumpt die Sauerstoffpumpe 22 Sauerstoff, der im Messgas enthalten ist, das in diesen Gaseinbringungsraum 18 eingebracht worden ist, in einer Menge, die dem Wert der Ausgangsspannung Vp entspricht, hinein oder heraus. Die Sauerstoffkonzentration im Gaseinbringungsraum 18 wird einer Rückkopplungsregelung unterzogen, um durch die Wiederholdung der oben beschriebenen Reihe von Operationen einen vorbestimmten Wert zu erreichen.
Die Klemmenspannung (gemessene Spannung), die am invertierenden Anschluss des Vergleichsverstärkers 32 angelegt wird, ist die Klemmenspannung zwischen der inneren Pumpelektrode 24a der Sauerstoffpumpe 22 und der Bezugselektrode 26 im Bezugsgas-Einbringungsraum 16. Wenn sich die Menge des durch die Sauerstoffpumpe 22 ausgepumpten Sauerstoffs verändert und sich die Sauerstoffkonzentration im Gaseinbringungsraum 18 verändert, verändert sich die Klemmenspannung zwischen der inneren Pumpelektrode 24a der Sauerstoffpumpe 22 und der Bezugselek trode 26 ohne jegliche zeitliche Verzögerung (die Klemmenspannung wird in Echtzeit verändert). Dem gemäß ist es möglich, das Schwingungsphänomen in der Rückkopplungsregelung wirksam zu unterdrücken.
Im Rückkopplungsregelungssystem wird die Pumpspannung Vp (Ausgangsspannung) einer Rückkopplungsregelung unterzogen, so dass die Klemmenspannung zwischen der inneren Pumpelektrode 24a und der Bezugselektrode 26 auf den Pegel konvergiert, der jenem der Bezugsspannung Vb entspricht.
Als nächstes wird eine modifizierte Ausführungsform des Gassensors unter Bezugnahme auf 3 erklärt. Komponenten oder Teile, die den in 1 gezeigten entsprechen, werden durch identische Bezugsziffern bezeichnet, wobei von einer doppelten Erklärung abgesehen wird.
Wie in 3 zu sehen ist, ist der Gassensor gemäß der modifizierten Ausführungsform im Wesentlichen auf die gleiche Weise konstruiert wie der oben beschriebene Gassensor, insofern, als dass der Gassensor z. B. sechs aufeinander liegende Festelektrolytschichten 10a bis 10f, die aus Keramikmaterial bestehen, das auf der Verwendung von Sauerstoffion-leitenden Festelektrolyten wie ZrO₂ basiert, und die sechs Festelektrolytschichten 10a bis 10f sind so ausgebildet, dass sie jeweils eine längliche plattenförmige Konfiguration aufweisen. Ersterer unterscheidet sich von Letzterem jedoch dadurch, dass zwischen der ersten und der zweiten Festelektrolytschicht 10d, 10f eine zweite Abstandshalterschicht 10e angeordnet ist und dass zwischen der ersten und der zweiten Festelektrolytschicht 10d, 10f ein erster und ein zweiter Diffusionsgeschwindigkeitsbestimmungs-Teil 40, 42 angeordnet sind.
Eine erste Kammer 44 zum Einstellen des Sauerstoff-Partialdrucks in einem Messgas wird von einer Unterfläche der zweiten Festelektrolytschicht 10f, Seitenflächen des ersten und des zweiten Diffusionsgeschwindigkeitsbestimmungs-Teils 40, 42 und einer Deckfläche der ersten Festelektrolytschicht 10d gebildet und begrenzt. Eine zweite Kammer 46 zum Messen von Oxiden, wie beispielsweise Stickstoffoxiden (NOx) im Messgas wird von einer Unterfläche der zweiten Festelektrolytschicht 10f, einer Seitenfläche des zweiten Diffusionsgeschwindigkeitsbestimmungs-Teils 42, Seitenflächen der zweiten Abstandshalterschicht 10e und einer Deckfläche der ersten Festelektrolytschicht 10d gebildet und begrenzt. Die erste Kammer 44 kommuniziert mit der zweiten Kammer 46 durch den zweiten Diffusionsgeschwindigkeitsbestimmungs-Teil 42.
Eine erste Elektrode (obere Pumpelektrode 50a) zur Konstruktion einer zweiten Sauerstoffpumpe 48, wie weiter unten beschrieben, ist auf einem Abschnitt der Deckfläche der ersten Festelektrolytschicht 10d ausgebildet, um die zweite Kammer 46 zu bilden. Eine zweite Elektrode (untere Pumpelektrode 50b) zur Konstruktion der zweiten Sauerstoffpumpe 48 ist auf einem Abschnitt der ersten Festelektrolytschicht 10d ausgebildet, um den Bezugsgas-Einbringungsraum 16 zu bilden, wobei der Abschnitt ein anderer als der Abschnitt für die Bezugselektrode 26 ist.
Der erste und der zweite Diffusionsgeschwindigkeitsbestimmungs-Teil 40, 42 bieten dem Messgas, das in die erste bzw. die zweite Kammer 44, 46 einzubringen ist, vorbestimmte Diffusionswiderstände. Sowohl der erste als auch der zweite Diffusionsgeschwindigkeitsbestimmungs-Teil 40, 42 kann als Durchgang ausgebildet sein, der beispielsweise aus einem porösen Material besteht, oder als Loch mit einer vorbestimmten Querschnittsfläche, so dass das Messgas eingebracht werden kann.
Beim Gassensor wird die Pumpspannung Vp, die auf Basis der vom Potentiometer 28 ermittelten elektrischen Potentialdifferenz festgelegt ist, auf die gleiche Weise wie oben beschrieben mit Hilfe der variablen Spannungsquelle 30 zwischen der inneren Pumpelektrode 24a und der äußeren Pumpelektrode 24b angelegt, die für die erste Kammer 44 vorgesehen sind. Entsprechend dem Anlegen der Pumpspannung Vp wird von der Sauerstoffpumpe 22 Sauerstoff aus der ersten Kammer heraus oder in sie hinein gepumpt. So wird der Sauerstoff-Partialdruck in der ersten Kammer 44 auf einen vorbestimmten Wert festgelegt. Genauer gesagt umfasst der Gassensor einen Sauerstoffkonzentrationsregler 52, der aus der ersten Kammer 44, der Sauerstoffpumpe 22, der Bezugselektrode 26 und dem Bezugsgas-Einbringungsraum 16 kon struiert ist. Im Wesentlichen wird der Vorgang zum Messen von Stickstoffoxiden in der zweiten Kammer 46 durchgeführt.
Nachstehend erfolgt eine kurze Erklärung des Prinzips der Messung, die vom Gassensor durchgeführt wird. Die Pumpspannung Vp wird unter Verwendung der Sauerstoffpumpe 22 des Sauerstoffkonzentrationsreglers 52 so angelegt, dass die Sauerstoffkonzentration in der ersten Kammer 44 eine solche Höhe hat, dass die Zersetzung von NOx verhindert wird, beispielsweise 10^–7 atm. Das Ziel, die NOx-Zersetzung bei 10^–7 atm zu verhindern, wird erreicht, indem für die innere Pumpelektrode 24a ein Material verwendet wird, das geringes NOx-Reduktionsvermögen aufweist, beispielsweise eine Legierung aus Au und Pt.
Die Sauerstoffkonzentration in der ersten Kammer 44 wird auf Basis der Klemmenspannung zwischen der inneren Pumpelektrode 24a der Sauerstoffpumpe 22 und der Bezugselektrode 26 ermittelt, auf die gleiche Weise, wie es beim oben beschriebenen Gassensor erfolgt. Die Pumpspannung Vp wird so geregelt und an die Sauerstoffpumpe 22 angelegt, dass sich die Klemmenspannung der Bezugsspannung Vb annähert (siehe 2), nämlich die Sauerstoffkonzentration in der ersten Kammer 44 etwa null ist.
Dem gemäß bleibt das Stickstoffmonoxid (NO) in der ersten Kammer 44. In der ersten Kammer 44 verbliebenes NO geht durch den zweiten Diffusionsgeschwindigkeitsbestimmungs-Teil 42 hindurch und fließt in die nächste zweite Kammer 46. In der zweiten Kammer 46 wird eingebrachtes NO in N und O aufgespaltet, und die Konzentration von Sauerstoff O wird gemessen, um indirekt die NO-Konzentration zu bestimmen. Das Ziel, die Zersetzung von NO zu bewirken, wird erreicht, indem für die obere Pumpelektrode 50a ein Material verwendet wird, das NOx-Reduktionsvermögen aufweist, wie beispielsweise Rh und Pt.
Die Messung des Sauerstoffs O wird durchgeführt, indem der zwischen der oberen Pumpelektrode 50a und der unteren Pumpelektrode 50b fließende Strom gemessen wird. Genauer gesagt wird eine Pumpspannungsquelle 54 zwischen die untere Pumpelektrode 50b und die obere Pumpelektrode 50a geschaltet, so dass der Strom in eine solche Richtung fließt, dass Sauerstoff O₂ aus der zweiten Kammer 46 ausgepumpt wird. Während dieses Vorgangs kommt es, wenn in der zweiten Kammer 46 kein Sauerstoff vorhanden ist, nicht zu einer Migration von Sauerstoff (Auspumpen von Sauerstoff) zwischen den beiden Elektroden 50a, 50b. Daher fließt zwischen den beiden Elektroden 50a, 50b kein Strom. Wenn in der zweiten Kammer 46 Sauerstoff vorhanden ist, fließt entsprechend dem Auspump-Vorgang für Sauerstoff Strom zwischen den beiden Elektroden 50a, 50b. Daher kann die Sauerstoffkonzentration in der zweiten Kammer 46 gemessen werden, indem ein Strommesser 56 eingefügt und mit der Pumpspannungsquelle 54 in Serie geschaltet wird, um ihren Stromwert zu messen. Der Stromwert ist proportional zur Menge an ausgepumptem Sauerstoff. Dem gemäß kann die Menge an NO aus dem Stromwert ermittelt werden. Dem gemäß kann zur selben Zeit gleichermaßen auch NO₂ gemessen werden.
Genauer gesagt wird der modifizierte Gassensor wie folgt betätigt. Die Sauerstoffkonzentration im Messgas wird in der ersten Kammer 44 auf einen niedrigen konstanten Wert gebracht. Gebundener Sauerstoff wird mit Hilfe des Katalysators oder durch Elektrolyse in der zweiten Kammer 46 abgebaut. Während des Abbaus erzeugter Sauerstoff wird unter Einsatz der zweiten Sauerstoffpumpe 48 ausgepumpt. Der Strom, der während des Auspumpvorgangs fließt, wird gemessen. So wird die Konzentration der Gaskomponente gemessen, die gebundenen Sauerstoff enthält.
Wenn als die Gaskomponente, die gebundenen Sauerstoff enthält, NOx gemessen wird, wird NOx in der zweiten Kammer 46 vorzugsweise mit Hilfe des Katalysators abgebaut. Wenn H₂O und CO₂ gemessen werden, wird der Vorgang vorzugsweise mit Hilfe der Elektrolyse durchgeführt.
Wenn eine entflammbare Gaskomponente wie HC gemessen wird, wird der Vorgang wie folgt durchgeführt. Zunächst wird die Pumpspannung so angelegt, dass die Sauerstoffkonzentration der ersten Kammer 44 eine Höhe von beispielsweise 10^–15 atm aufweist, bei der die entflammbare Gaskomponente nicht brennt. Die Pumpspannungsquelle wird in einer Richtung angeschlossen, um Sauerstoff in die zweite Kammer 46 einzupumpen, so dass die entflammbare Gaskomponente brennen kann. Während dieses Vorgangs kann die Menge des entflammbaren Gases ermittelt werden, indem die Menge an Sauerstoff, die zum Verbrennen der entflammbaren Gaskomponente erforderlich ist, d. h. der Pumpstrom, gemessen wird.
Der modifizierte Gassensor ist wie folgt auf die gleiche Weise wie der oben beschriebene Gassensor konstruiert: Die Spannung zwischen der inneren Pumpelektrode 24a und der Bezugselektrode 26 des Sauerstoffkonzentrationsreglers 52 wird gemessen, um eine Differenz zwischen der gemessenen Spannung und der Bezugsspannung Vp zu bestimmen. Die Pumpspannung Vp wird unter Einsatz der Differenzspannung geregelt.
Im Speziellen ist der Gassensor verdrahtet und angeschlossen, wie in 4 gezeigt, und umfasst einen Vergleichsverstärker 32, um die Bezugsspannung Vb mit der Klemmenspannung zwischen der Bezugselektrode 26 und der inneren Pumpelektrode 24a zu vergleichen und eine Differenz dazwischen mit einer vorbestimmten Verstärkung zu verstärken, um ein Ausgangssignal zu erhalten. Die Ausgangsspannung (Differenzspannung) vom Vergleichsverstärker 32 wird als die der Sauerstoffpumpe 22 zugeführte Pumpspannung Vp zwischen der inneren Pumpelektrode 24a und der äußeren Pumpelektrode 24b angelegt. Die innere Pumpelektrode 24a ist ebenfalls geerdet.
Die Klemmenspannung (gemessene Spannung), die an den invertierenden Anschluss des Vergleichsverstärkers 32 angelegt wird, ist die Klemmenspannung zwischen der inneren Pumpelektrode 24a der Sauerstoffpumpe 22 und der Bezugselektrode 26 im Bezugsgas-Einbringungsraum 16. Daher erscheint die Veränderung der Sauerstoffkonzentration in der ersten Kammer 44 ohne jegliche zeitliche Verzögerung als Veränderung der Klemmenspannung zwischen der inneren Pumpelektrode 24a der Sauerstoffpumpe 22 und der Bezugselektrode 26. Dem gemäß ist es möglich, das Schwingungsphänomen in der Rückkopplungsregelung wirksam zu unterdrücken.
Als nächstes wird ein Gassensor unter Verweis auf 5 erklärt. Komponenten oder Teile, die den in 1 gezeigten entsprechen, werden durch identische Bezugsziffern bezeichnet.
Der Gassensor weist in etwa dieselbe Anordnung wie der Gassensor der ersten Ausführungsform auf. Jedoch unterscheidet sich Ersterer von Letzterem insofern, als dass der Gassensor gemäß der zweiten Ausführungsform weiters einen Widerstand R umfasst, der zwischen der inneren Pumpelektrode 24a und GND verbunden ist, sowie einen Differenzverstärker 62, der zwischen einem Ende des Widerstands R und einer erzeugenden Quelle (Spannungsquelle 60) der Bezugsspannung Vb eingesetzt wird und verbunden ist. Insbesondere ist das eine Ende des Widerstands R mit einem nicht-invertierenden Anschluss des Differenzverstärkers 62 und ein invertierender Anschluss des Differenzverstärkers 62 mit der Erde verbunden. Ein Ausgangsanschluss des Differenzverstärkers 62 ist mit einem negativen Pol der Spannungsquelle 60 verbunden.
Der Gassensor gemäß der zweiten Ausführungsform ist verdrahtet und angeschlossen, sodass der Strom, der zwischen der inneren Pumpelektrode 24a und der äußeren Pumpelektrode 24b fließt, welcher dem Sauerstoff entspricht, der durch die Sauerstoffpumpe 22 herausgepumpt wird, in eine Spannung konvertiert wird, die einem Wert des Stroms gemäß des Spannungsabfalls im Widerstand R entspricht und die Spannung wird an den nicht-invertierenden Anschluss des Differenzverstärkers 62 angelegt.
Im Allgemeinen fließt der Strom durch die Sauerstoffpumpe 22, wenn der Sauerstoff von der Sauerstoffpumpe 22 herausgepumpt wird. Deshalb erscheint die Menge, die dem Spannungsabfall entspricht, der aus der Impedanz der Sauerstoffpumpe 22 resultiert, als Fehler bei der Pegelanpassung für die Pumpspannung Vp.
Jedoch wird der Strom, der durch die Sauerstoffpumpe 22 fließt, unter Verwendung des Widerstands R in die Spannung konvertiert, und die Spannung Wird durch den Differenzverstärker 62 mit einer vorbestimmten Verstärkung verstärkt, um eine Spannung zu erhalten, die der Spannungsquelle 60 überlagert wird. Genauer gesagt wird nur der Wert, der einem aus einem Grenzwiderstand (Impedanz) der inneren Pumpelektrode 24a resultierenden Spannungsabfall entspricht, der Spannung zwischen der inneren Pumpelektrode 24a und der Bezugselektrode 26 überlagert. Der dem Spannungsabfall entsprechende Wert wird beträchtlich verringert. Daher genügt es, den dem Spannungsabfall entsprechenden Wert leicht zu korrigieren, und somit wird die Genauigkeit in diesem Ausmaß verbessert. Mit anderen Worten, der Wert, der dem aus der Impedanz der Sauerstoffpumpe 22 resultierenden Spannungsabfall entspricht, spiegelt sich in der Bezugsspannung Vb wider (oder überlagert die Bezugsspannung Vb). Dem gemäß ist es möglich, den aus der Impedanz der Sauerstoffpumpe 22 resultierenden Fehler in Bezug auf die Pumpspannung Vp aufzufangen, was es ermöglicht, die Rückkopplungsregelung für die Pumpspannung Vp mit einem hohen Grad an Genauigkeit durchzuführen. Das führt zu einer sehr präzisen Detektion der Sauerstoffkonzentration im Gaseinbringungsraum 18.
Der Gassensor hat eine solche Wirkung, dass das Auftreten von Schwingungen im Rückkopplungsregelungssystem zur Regelung der Pumpspannung Vp, die an die Sauerstoffpumpe 22 angelegt werden soll, unterdrückt wird, sodass die Sauerstoffkonzentration im Gaseinbringungsraum 18 eine vorbestimmte Konzentration ist. Die zwei Ziele, d. h. die Unterdrückung der Schwingung und die Verbesserung der Genauigkeit können nämlich nur durch die Verwendung des später beschriebenen Gassensors erreicht werden. Weiters wird eine starke Wirkung erhalten, da die kombinierte Struktur zur Erreichung der zwei Ziele extrem einfach ist.
Es werden nun die Verbesserung der Eigenschaften, die von letzterem Gassensor erreicht werden (Arbeitsbeispiel), erklärt, während der Gassensor mit dem herkömmlichen Gassensor (Vergleichsbeispiel) verglichen wird.
Zunächst zeigt 6 eine Tabelle zum Vergleich der tatsächlichen Werte, die der elektromotorischen Kraft entsprechen, die im Vergleichsbeispiel erhalten werden, mit den im Arbeitsbeispiel erhaltenen, wobei der Wert, der der elektromotorischen Kraft entspricht, auf 400 mV korrigiert und geregelt werden soll, wenn die Sauerstoffkon zentration im Messgas verändert wird. Im Vergleichsbeispiel wird der Wert, der der elektromotorischen Kraft entspricht, stark verringert, wenn die Sauerstoffkonzentration hoch ist. Hingegen wird das Ausmaß des Rückgangs im Arbeitsbeispiel stark verbessert, obwohl es sich um einen leichten Rückgang handelt.
7 und 8 zeigen oben beschriebene Situationen. In diesem Vergleichsbeispiel wird die Temperatur des Gassensors so angepasst, dass die Impedanz der Sauerstoffpumpe 22 in jedem Fall 100 Ω umfasst.
Im Vergleichsbeispiel ( japanische Gebrauchsmusterveröffentlichung Nr. 7-45004 ) beträgt die Korrekturspannung ideal (100 Ω × Pumpstrom), da die Impedanz der Sauerstoffpumpe 22 100 Ω ausmacht. Tatsächlich jedoch ist die Korrektur nur für (50 Ω × Pumpstrom) erfolgreich, was die Hälfte von (100 Ω × Pumpstrom) ist. Die Ursache für diese erfolglose Korrektur ist Schwingung. In einem Bereich von nicht weniger als (50 Ω × Pumpstrom) unterliegt das Regelungssystem einem Schwingungsphänomen, was die Durchführung von Regelung unmöglich macht.
Im Vergleichsbeispiel wird, um die Impedanz der Sauerstoffpumpe 22 zu messen, der Spannungsquelle ein Wert überlagert, der einem Wechselstrom (500 bis 100 kHz) entspricht, so dass die Impedanz der Sauerstoffpumpe unter Verwendung der Wechselspannung gemessen wird. Es besteht jedoch die Tendenz zum Auftreten von Schwingungen, da der dem Wechselstrom entsprechende Wert positiver Rückkopplung unterliegt. Aus diesem Grund wird das Ausgangssignal des Operationsverstärkers mit Hilfe eines Tiefpassfilters positiver Rückkopplung unterworfen, so dass der dem Wechselstrom entsprechende Wert eliminiert wird. So wird nur ein einem Gleichstrom (zur Korrektur des Spannungsabfalls) entsprechender Wert positiver Rückkopplung unterworfen, und die Pumpspannung Vp wird mit dem Wert des Spannungsabfalls überlagert. Bei einem Versuch weist der Wechselstrom eine Frequenz von 10 kHz auf, und das Tiefpassfilter hat eine Grenzfrequenz von 1 kHz. Bei diesem System wird die Heizeinrichtung nicht auf Basis eines Signals in dem Ausmaß geregelt, das dem Wechselstrom entspricht.
Gemäß diesem Versuch tritt das durch die Gleichstrom-Komponente verursachte Schwingungsphänomen bei einer extrem niedrigen Frequenz von nicht mehr als 50 Hz auf. Daher bleibt beim Tiefpassfilter mit einer Grenze für jene mit einer Frequenz von nicht weniger als einigen hundert Hz weiterhin das Problem des möglichen Auftretens von Schwingungen aufgrund der dem Gleichstrom entsprechenden Menge bestehen.
Andererseits beträgt im Arbeitsbeispiel die Impedanz zwischen der inneren Pumpelektrode 24a und der Bezugselektrode 26 35 Ω, und ein Idealwert der Korrekturspannung ist (35 Ω × Pumpstrom), wenn die Sauerstoffpumpe 22 eine Impedanz von 100 Ω aufweist. Tatsächlich ist jedoch ebenso wie im Vergleichsbeispiel die Korrektur für (17,5 Ω × Pumpstrom) erfolgreich, was die Hälfte von (35 Ω × Pumpstrom) ist.
Wie aus der Kennlinie, die in 8 dargestellt ist, und der Tabelle, die in 6 zu sehen ist, klar wird, wird die Korrekturwirkung im Arbeitsbeispiel im Vergleich zum Vergleichsbeispiel stark verbessert, wenn die Sauerstoffkonzentration erhöht wird. Dies basiert auf der Wirkung, dass der Korrekturwert bei der Korrektur, die im Arbeitsbeispiel durchgeführt wird, im Vergleich zum Vergleichsbeispiel stark verringert wird. Die verringernde Wirkung ist viel größer als jene erwartete Wirkung (da nur die innere Pumpelektrode 24a der Sauerstoffpumpe 22 verwendet wird, die erwartete Wirkung die Hälfte von jener im Vergleichsbeispiel ist, in welchem ebenfalls die äußere Pumpelektrode 24b verwendet wird).
Der Grund dafür ist die folgende Wirkung: Im Fall des Vergleichsbeispiels ist es nämlich notwendig, die gesamte Impedanz Zp der Sauerstoffpumpe 22 zu korrigieren. Im Gegensatz dazu können im Fall des Arbeitsbeispiels Z1, Z2 und Z3 im folgenden Ausdruck vernachlässigt werden. Zp = Z1 + Z2 + Z3 + Z4

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

Im Allgemeinen weist im Fall der Sauerstoffpumpe 22, die mit der Heizeinrichtung 12 ausgestattet ist, die äußere Pumpelektrode 24a eine niedrigere Temperatur auf als die innere Pumpelektrode 24a. Deshalb tendiert die äußere Pumpelektrode 24b dazu, einen höheren Grenzwiderstand aufzuweisen. Jedoch ist es im Arbeitsbeispiel möglich, die äußere Pumpelektrode 24b zu vernachlässigen, die über niedrigere Temperatur verfügt. Dementsprechend kann die Wirkung erhalten werden, um die Korrekturspannung zu verringern, welche die erwartete überschreitet. Daher ist es möglich, die Genauigkeit zu erhöhen, zum Beispiel sogar dann, wenn kein Mittel zur Impedanz, kein Mittel zur Regelung des Heizgeräts, das darauf basiert, und kein Mittel zur Kontrolle der Korrekturspannung verwendet werden.
Im Allgemeinen wird die Zunahme der Impedanz der Sauerstoffpumpe 22 im Verlauf der Verwendung hauptsächlich durch die Zunahme des Grenzwiderstands der äußeren Pumpelektrode 24b verursacht. Gemäß dem Arbeitsbeispiel wird eine Korrektur vorgenommen, während die äußere Pumpelektrode 24b vernachlässigt wird. Deshalb ist es möglich, auf den Anstieg der Impedanz im Verlauf der Verwendung ausreichend zu reagieren.
Die 9 bis 10 zeigen jeweils Korrekturzustände nach Testautoläufen über 30.000 km unter Einsatz eines Testautos mit einem 4-Zylinder-Reihenmotor mit 2,0 l. In 9 zeigt eine Punkt-Punkt-Strich-Linie eine Kennlinie, die in einem Zustand zu Beginn des Laufs (Anfangszustand) erhalten wird, und eine durchgehende Linie zeigt eine Kennlinie, die nach einem Lauf über 30.000 km erhalten wird. In 10 zeigt eine dünne durchgehende Linie eine Kennlinie, die in einem Zustand zu Beginn des Laufs (Anfangszustand) erhalten wird, und eine dicke durchgehende Linie zeigt eine Kennlinie, die nach einem Lauf über 30.000 km erhalten wird.
Wie in 9 gezeigt kann im Fall des Vergleichsbeispiels bei einer Sauerstoffkonzentration von 20% keinerlei Korrektur durchgeführt werden, und der Arbeitspunkt am flachen Abschnitt tritt bei einer Konzentration von 5% kaum auf. Im Gegensatz dazu kann wie in 10 gezeigt im Fall des Arbeitsbeispiels der Betrieb immer noch im flachen Abschnitt durchgeführt werden, auch wenn die Sauerstoffkonzentration 20% beträgt. Daher ist zu erkennen, dass der Gassensor gemäß dem Arbeitsbeispiel, d. h. des letzteren beschriebenen Gassensors für die Durchführung der Korrektur nützlich ist.
Als nächstes wird unter Bezugnahme auf 11 eine modifizierte Ausführungsform des Gassensors gemäß der zweiten Ausführungsform erklärt. Komponenten oder Teile, die den in 4 gezeigten entsprechen, sind mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet, wobei eine nochmalige Erklärung entfällt.
Wie in 11 gezeigt wird ein Gassensor im Wesentlichen auf die gleiche Weise konstruiert wie der zuvor beschriebene Gassensor. Jedoch unterscheidet sich Ersterer von Letzterem dadurch, dass ein Widerstand R zwischen die innere Pumpelektrode 24a und GND geschaltet ist und ein Differenzverstärker (Operationsverstärker) 62 eingesetzt wird und zwischen ein Ende des Widerstands R und eine erzeugende Quelle (Spannungsquelle 60) der Bezugsspannung Vb geschaltet ist. Insbesondere ist das eine Ende des Widerstands R mit einem nicht-invertierenden Anschluss des Differenzverstärkers 62 verbunden und ein invertierender Anschluss des Differenzverstärkers 62 ist geerdet. Ein Ausgangsanschluss des Differenzverstärkers 62 ist mit einem negativen Pol der Spannungsquelle 60 verbunden.
Der Gassensor funktioniert ebenfalls auf dieselbe Weise. Der Stromfluss durch die Sauerstoffpumpe 22 wird nämlich in eine Spannung konvertiert, unter Verwendung von Widerstand R, und die Spannung wird durch den Differenzverstärker 62 mit einer vorbestimmten Verstärkung verstärkt, um eine verstärkte Spannung zu erhalten, die der Spannungsquelle 60 überlagert wird. Dementsprechend ist es möglich, den Fehler, der aus der Impedanz der Sauerstoffpumpe 22 hinsichtlich der Pumpspannung Vp resultiert, zu beseitigen, was es möglich macht, die Rückkopplungsregelung für die Pumpspannung Vp mit einem hohen Grad an Genauigkeit durchzuführen.

Claims

Gassensor, Folgendes umfassend: einen ersten Raum (18), umgeben von Substraten (10d, 10e, 10f) aus festem Elektrolytmaterial, für das Einleiten eines Messgases in diesen; ein Gaspumpmittel (22), umfassend eine innere und eine äußere Elektrode (24a, 24b), die innerhalb und außerhalb des ersten Raumes (18) ausgebildet sind, wobei ein erstes (10f) der Substrate zwischen den Elektroden (24a, 24b) angeordnet ist, um eine erste elektrochemische Zelle zu bilden, und eine Pumpspannungsquelle (30) zum Anlegen einer Steuerspannung (Vp) für das Auspumpen einer vorbestimmten Gaskomponente zwischen den Elektroden (24a, 24b); einen zweiten Raum (16), umgeben von Substraten (10b, 10c, 10d) aus festem Elektrolytmaterial, für das Einleiten eines Bezugsgases in diesen; ein Messmittel (28) zum Messen einer Klemmenspannung (V) einer zweiten elektrochemischen Zelle, welche als Elektroden eine Bezugselektrode (26), die auf einem zweiten (10d) der Substrate ausgebildet und an einer Seite des zweiten Raums (16) angeordnet ist, und die innere Elektrode (24a) des Gaspumpmittels (22) aufweist, wobei die zweite elektrochemische Zelle einen Elektrolytweg aufweist, der sich in den Substraten von der Bezugselektrode (26) zu der inneren Elektrode (24a) erstreckt; und ein Spannungseinstellungssteuermittel zum Einstellen des Pegels der Steuerspannung (Vp) basierend auf der Klemmenspannung (V), wobei das Spannungseinstellungssteuermittel mit einem Komparatormittel (32) zur Bestimmung der Abweichung zwischen der Spannung (V) der elektromotorischen Kraft und einer Vergleichsspan nung (Vb) bereitgestellt ist, und der Pegel der Steuerspannung (Vp) basierend auf der durch das Vergleichsmittel (32) ermittelten Abweichung angepasst wird, wobei der Gassensor weiters Folgendes umfasst: ein Strom-Detektionsmittel (R) zur Detektion von Strom, der durch das Gaspumpmittel (22) fließt, wenn die Gaskomponente durch das Gaspumpmittel (22) ausgepumpt wird; und ein Spannungseinstellungs-Komparatormittel (62) zur Einstellung des Pegels der Vergleichsspannung (Vb) basierend auf der Stromstärke, die durch das Strom-Detektionsmittel (R) detektiert wird.
Gassensor nach Anspruch 1, worin ein Gasdiffusionsgeschwindigkeitsbestimmungs-Teil (20), der dem Messgas einen vorbestimmten Diffusionswiderstand verleiht, an einem Durchlass für das Einleiten des Messgases in den ersten Raum (18) bereitgestellt ist.
Gassensor nach Anspruch 1, der weiters Folgendes umfasst: einen dritten Raum (46) für das Einleiten des Messgases im ersten Raum (44) in diesen; einen zweiten Gasdiffusionsgeschwindigkeitsbestimmungs-Teil (42), der an einem Durchlass für das Einleiten des Messgases in den dritten Raum (46) bereitgestellt ist, um dem Messgas einen vorbestimmten Diffusionswiderstand zu verleihen; ein Messgaszersetzungsmittel (50a), das in dem dritten Raum (46) angeordnet ist, zur Zersetzung und zum Abbau der vorbestimmten Gaskomponente in dem Messgas; und ein Gaskomponenten-Detektionsmittel (48) zur Detektion der vorbestimmten Gaskomponente, die durch das Messgaszersetzungsmittel (50a) zersetzt und abgebaut wird.
Gassensor nach Anspruch 1, der weiters Folgendes umfasst: einen dritten Raum (46) für das Einleiten des Messgases im ersten Raum (44) in diesen; einen zweiten Gasdiffusionsgeschwindigkeitsbestimmun^gs-^Teil (42), der an einem Durchlass für das Einleiten des Messgases in den dritten Raum (46) bereitgestellt ist, um dem Messgas einen vorbestimmten Diffusionswiderstand zu verleihen; ein Gaskomponentenzufuhrmittel (48) für das Einleiten der vorbestimmten Gaskomponente in den dritten Raum (46); und ein Gaskomponenten-Detektionsmittel (56) zur Detektion der Gaskomponente, die durch das Gaskomponentenzufuhrmittel (48) eingeleitet wird.
Verfahren zur Steuerung eines Gassensors, wobei es sich um einen Gassensor nach Anspruch 1 handelt und das Verfahren folgende Schritte umfasst: das Messen der Klemmenspannung (V) der zweiten elektrochemischen Zelle; und das Einstellen des Pegels der Steuerspannung (Vp) basierend auf der Klemmenspannung (V), indem eine Abweichung zwischen der Spannung (V) der elektromotorischen Kraft und einer Vergleichsspannung (Vb) bestimmt wird und der Pegel der Steuerspannung (Vp) basierend auf der erhaltenen Abweichung eingestellt wird, worin ein Strom, der durch das Gaspumpmittel (22) fließt, detektiert wird, wenn die Gaskomponente durch das Gaspumpmittel (22) ausgepumpt wird, und der Pegel der Vergleichsspannung (Vb) basierend auf der detektierten Stromstärke eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, worin der Gassensor weiters einen Gasdiffusionsgeschwindigkeitsbestimmungs-Teil (20) umfasst, um dem Messgas einen vorbestimmten Diffusionswiderstand zu verleihen, der an einem Durchlass zum Einleiten des Messgases in den ersten Raum (18) bereitgestellt ist.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Gassensor ferner Folgendes umfasst: einen dritten Raum (46) zum Einleiten des Messgases im ersten Raum (44) in diesen; einen zweiten Gasdiffusionsgeschwindigkeitsbestimmungs-Teil (42), der an einem Durchlass zum Einleiten des Messgases in den dritten Raum (46) bereitgestellt ist, um dem Messgas einen vorbestimmten Diffusionswiderstand zu verleihen; ein Messgaszersetzungsmittel (50a), das im dritten Raum (46) angeordnet ist, um die vorbestimmte Gaskomponente im Messgas zu zersetzen und abzubauen; und ein Gaskomponenten-Detektionsmittel (48) zum Detektieren der vorbestimmten Gaskomponente, welche durch das Messgaszersetzungsmittel (50a) zersetzt und abgebaut worden ist.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Gassensor ferner Folgendes umfasst: einen dritten Raum (46) zum Einleiten des Messgases im ersten Raum (44) in diesen; einen zweiten Gasdiffusionsgeschwindigkeitsbestimmungs-Teil (42), der in einem Durchlass zum Einleiten des Messgases in den dritten Raum (46) bereitgestellt ist, um dem Messgas einen vorbestimmten Diffusionswiderstand zu verleihen; ein Gaskomponentenzuführmittel (48) zum Einleiten der vorbestimmten Gaskomponente in den dritten Raum (46), und ein Gaskomponenten-Detektionsmittel (56) zur Detektion der durch das Gaskomponentenzuführmittel (48) zugeführten Gaskomponente.
Gaskonzentrations-Steuervorrichtung, umfassend: einen Gassensor nach Anspruch 1; und einen Gasdiffusionsgeschwindigkeitsbestimmungs-Teil (20), der in einem Durchlass zum Einleiten des Messgases in den ersten Raum (18) bereitgestellt ist, um dem Messgas einen vorbestimmten Diffusionswiderstand zu verleihen.