(57)【要約】  本発明は、複数のガス成分から成る混合気体の圧力の測定のための装置であって、制限電流原理に基づき作動する電流測定式のセンサー（１０）を備えており、該センサーは固体電解質（１１）上に取り付けられて直流電圧源に接続された２つの電極（１２，１３）を有しており、該電極のうちの１つの電極（１３）は拡散律速層（１４）によって被われており、さらに電極（１２，１３）に流れてガス圧力の尺度となる限界電流の測定のための測定エレメント（１７）を備えている形式のものに関する。濃度の時間的に変化する混合気体のガス圧力の誤差のない測定のために、少なくとも測定時に、拡散律速層（１４）前に作用していて圧力測定のために用いられるガス成分のモル分率を１００％に規定する手段を設けてある。該手段は有利には、拡散律速層（１４）に接続する貯蔵容積（１８）を含んでおり、貯蔵容積は拡散区域（１９）によって混合気体に対して分離されており、さらに貯蔵容積（１８）内へのガス成分の汲み入れのための、固体電解質（１１）に配置された２つの電極（２０，２１）を含んでいる。
2007512511.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
混合気体の圧力の測定のための装置であって、制限電流原理に基づき作動する電流測定式のセンサー（１０）を備えており、該センサーは固体電解質（１１）上に取り付けられて直流電圧で印加される２つの電極（１２，１３）を有しており、該電極のうちの１つの電極（１３）は拡散律速層（１４）によって遮蔽されており、電極（１２，１３）に流れてガス圧力の尺度となる限界電流の測定のための測定エレメント（１７）を備えている形式のものにおいて、少なくとも測定時に、拡散律速層（１４）の上流側で圧力測定のために用いるガス成分のモル分率を１００％に規定する手段を設けてあることを特徴とする、混合気体の圧力の測定のための装置。
【請求項２】
前記手段は、固体電解質（１１）内で拡散律速層（１４）の上流側に設けられたガス成分用の貯蔵容積（１８）、該貯蔵容積（１８）を混合気体に対して閉鎖する拡散区域（１９）、及び固体電解質（１１）に配置されていて固体電解質（１１）を通してガス成分を前記貯蔵容積（１８）内へ汲み入れるための２つの電極から成っている請求項１に記載の装置。
【請求項３】
拡散区域（１９）は、小さな圧力勾配を有するように構成されている請求項２に記載の装置。
【請求項４】
貯蔵容積（１８）は、拡散律速層（１４）に隣接する室（４０）によって形成されており、拡散区域（１９）は、セラミック材料、有利には酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）から成っていて前記室（４０）を閉鎖する第２の拡散律速層（４１）によって形成されている請求項２又は３に記載の装置。
【請求項５】
貯蔵容積（１８）は、拡散律速層（１４）に隣接する室（４０）によって形成されており、拡散区域（１９）は、長く延びる少なくとも１つの通路（４３）によって形成されている請求項２又は３に記載の装置。
【請求項６】
貯蔵容積（１８）及び拡散区域（１９）は、セラミック材料、有利には酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）から成る多孔質の装填片（４４）によって形成されており、該装填片は拡散律速層（１４）に隣接している請求項２又は３に記載の装置。
【請求項７】
拡散律速層（１４）は、クヌーセン拡散に必要な多孔質特性を有している請求項１から６のいずれか１項に記載の装置。
【請求項８】
ガス成分の汲み入れのための電極は、付加電極（２０，２１）であり、該電極のうちの陽極として作動する付加電極（２１）は、貯蔵容積（１８）内に配置されており、陰極として作動する付加電極（２０）は、混合気体にさらされるようになっており、かつ付加電極（２０，２１）に直流電圧を印加するようになっている請求項２から７のいずれか１項に記載の装置。
【請求項９】
ガス成分の汲み入れのための電極は、センサー（１０）の電極（１２，１３）によって形成してあり、該電極の電圧極性は圧力測定の前に所定の時間にわたって反転させられるようになっており、その結果、拡散律速層（１４）によって遮蔽された電極（１３）は陽極として作動させられるようになっている請求項２から７のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１０】
混合気体は内燃機関の排ガスであり、圧力測定のために用いるガス成分は酸素である請求項１から９のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１１】
混合気体の圧力の測定のための装置を内燃機関の排ガス中の酸素濃度の決定のための測定センサーに用いてあり、測定センサーの電極は、電流測定式のセンサー（１０）の電極としてガス成分の汲み入れのために用いられるようになっている請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
測定センサーは、１つの固体電解質（１１）及び該固体電解質に取り付けられた２つの電極（３４，３３）から成るネルンストセル（２５）を含んでおり、該電極のうちの１つのネルンスト電極若しくは測定電極（３４）は、固体電解質（１１）に設けられた測定室（２６）内に配置されており、別の基準電極（３３）は、固体電解質（１１）に設けられた基準ガス通路（３２）内で汲み入れられた基準酸素にさらされるようになっており、さらに、１つの固体電解質（１１）及び該固体電解質に取り付けられた２つの電極（３０，３１）から成るポンピングセル（２４）を含んでおり、該電極のうちの１つの外側のポンピング電極（３０）は排ガスにさらされるようになっており、別の内側のポンピング電極（３１）は測定室（２６）内に配置されており、排ガスから測定室（２６）へ通じる接続通路（３９）内に、拡散区域（１９）と該拡散区域よりも測定室（２６）の側に位置する貯蔵容積（１８）とを設けてあり、かつ測定室（２６）と貯蔵容積（１８）との間に拡散律速層（１４）を配置してあり、ポンピングセルの電極（３０，３１）は所定の時間間隔で酸素の汲み入れ及びガス圧力の測定のために用いられるようになっている請求項９及び１１に記載の装置。
【請求項１３】
測定センサーは、１つの固体電解質（１１）及び該固体電解質に取り付けられた２つの電極（３４，３３）から成るネルンストセル（２５）を含んでおり、該電極のうちの１つのネルンスト電極若しくは測定電極（３４）は、固体電解質（１１）に設けられた測定室（２６）内に配置されており、別の基準電極（３３）は、固体電解質（１１）に設けられた基準ガス通路（３２）内で汲み入れられた基準酸素にさらされるようになっており、さらに、１つの固体電解質（１１）及び該固体電解質に取り付けられた２つの電極（３０，３１）から成るポンピングセル（２４）を含んでおり、該電極のうちの１つの外側のポンピング電極（３０）は排ガスにさらされるようになっており、別の内側のポンピング電極（３１）は測定室（２６）内に配置されており、基準ガス通路（３２）は、排ガスと接する開口部（３７）を備えており、基準ガス通路（３２）内で基準電極（３３）と開口部（３７）との間に、拡散区域（１９）と該拡散区域よりも基準電極の側に位置する貯蔵容積（１８）とを設けてあり、かつ貯蔵容積（１８）と基準電極（３３）との間に拡散律速層（１４）を配置してあり、外側のポンピング電極（３０）と基準電極（３３）とは、これらの電極に与えられる電圧電位を所定の時間間隔で切り換えられることによって酸素の汲み入れ及びガス圧力の測定のために用いられるようになっている請求項９及び１１に記載の装置。
【請求項１４】
測定センサーは、１つの固体電解質（１１）及び該固体電解質に取り付けられた２つの電極（３４，３３）から成るネルンストセル（２５）を含んでおり、該電極のうちの１つのネルンスト電極若しくは測定電極（３４）は、固体電解質（１１）に設けられた測定室（２６）内に配置されており、別の基準電極（３３）は、固体電解質（１１）に設けられた基準ガス通路（３２）内で汲み入れられた基準酸素にさらされるようになっており、さらに、１つの固体電解質（１１）及び該固体電解質に取り付けられた２つの電極（３０，３１）から成るポンピングセル（２４）を含んでおり、該電極のうちの１つの外側のポンピング電極（３０）は排ガスにさらされるようになっており、別の内側のポンピング電極（３１）は測定室（２６）内に配置されており、基準ガス通路（３２）は、排ガスと接する開口部（３７）を備えており、基準ガス通路（３２）内で基準電極（３３）と開口部（３７）との間に、拡散区域（１９）と該拡散区域の、前記開口部とは反対の側に位置する貯蔵容積（１８）とを設けてあり、基準ガス通路（３２）内で基準電極（３３）の、前記拡散区域（１９）とは反対の側に拡散律速層（１４）を配置してあり、かつ該拡散律速層（１４）の、前記基準電極（３３）とは反対の側に電流測定式のセンサー（１０）の陽極として作動する第２の電極（１３）を配置してあり、外側のポンピング電極（３０）及び基準電極（３３）はガス成分の汲み入れのために用いられるようになっており、かつ電流測定式のセンサー（１０）の第２の電極（１３）及び外側のポンピング電極（３０）はガス圧力の測定のために用いられるようになっている請求項８及び１１に記載の装置。
【請求項１５】
内燃機関の排ガス中の酸素濃度の決定のための測定センサー、殊に広帯域酸素濃度センサーであって、１つの固体電解質（１１）及び該固体電解質に取り付けられた２つの電極（３４，３３）から成るネルンストセル（２５）を含んでおり、該電極のうちの１つの測定電極若しくはネルンスト電極（３４）は、固体電解質（１１）に設けられた測定室（２６）内に配置されており、別の基準電極（３３）は、固体電解質（１１）に設けられた基準ガス通路（３２）内で汲み入れられた基準酸素にさらされるようになっており、かつ、１つの固体電解質（１１）及び該固体電解質に取り付けられた２つの電極（３０，３１）から成るポンピングセル（２４）を含んでおり、該電極のうちの１つの外側のポンピング電極（３０）は排ガスにさらされるようになっており、別の内側のポンピング電極（３１）は測定室（２６）内に配置されている形式のものにおいて、請求項１から１４のいずれか１項に記載の、排ガスの圧力の測定のための装置を組み込んであることを特徴とする、内燃機関の排ガス中の酸素濃度の決定のための測定センサー。
【請求項１６】
基準ガス通路（３２）は、排ガスと接する開口部（３７）を備えており、基準電極（３３）と開口部（３７）との間に、拡散区域（１９）と該拡散区域（１９）よりも基準電極（３３）の側に位置する酸素・貯蔵容積（１８）とを設けてあり、基準電極（３３）の、前記拡散区域（１９）とは反対の側に、拡散律速層（１４）によって遮断された付加電極（１３）を配置してあり、ガス圧力の測定のために基準電極（３３）を作動させて、室（１８）内に酸素の１００％のモル分率を生ぜしめるようになっており、外側のポンピング電極（３０）及び付加電極（１３）に流れる限界電流を、排ガス圧力の尺度として検出するようになっている請求項１５に記載の測定センサー。
【請求項１７】
基準ガス通路（３２）は、排ガスと接する開口部（３７）を備えており、基準電極（３３）と開口部（３７）との間に、拡散区域（１９）と該拡散区域よりも基準電極（３３）の側に位置する酸素・貯蔵容積（１８）とを設けてあり、該酸素・貯蔵容積は拡散律速層（１４）によって基準電極（３３）に対して遮断されており、所定の時間間隔で外側のポンピング電極（３０）及び基準電極（３３）に同じ電圧を印加するようになっており、酸素・貯蔵容積（１８）内に酸素の１００％のモル分率を生ぜしめるようになっており、前記電圧の切り換えの後に、外側のポンピング電極（３０）及び基準電極（３３）に流れる限界電流を、排ガス圧力の尺度として検出するようになっている請求項１５に記載の測定センサー。
【請求項１８】
排ガスから測定室（２６）へ通じる接続通路（３９）内に、拡散区域（１９）と該拡散区域よりも測定室（２６）の側に位置する酸素・貯蔵容積（１８）とを設けてあり、該酸素・貯蔵容積（１８）は拡散律速層（１４）によって測定室（２６）に対して遮断されており、所定の時間間隔でポンピングセル（２４）を作動させて、室（１８）内に酸素の１００％のモル分率を生ぜしめるようになっており、ポンピングセル（２４）の電流方向の切り換えの後に、ポンピング電極（３０，３１）に流れる限界電流を、排ガス圧力の尺度として検出するようになっている請求項１５に記載の測定センサー。
【請求項１９】
拡散律速層（１４）は、クヌーセン拡散に必要な多孔質特性を有している請求項１６から１８のいずれか１項に記載の測定センサー。
【請求項２０】
酸素・貯蔵容積（１８）は、１つの室（４０）によって形成されており、拡散区域（１９）は、セラミック材料から成る別の少なくとも１つの拡散律速層（４１）によって形成されている請求項１６から１９のいずれか１項に記載の測定センサー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は請求項１の上位概念に記載の形式の、混合気体の圧力の測定のための装置に関する。
【０００２】
ガスの絶対圧力の測定のための公知の装置（ドイツ連邦共和国特許出願公開第３１２２８６１Ａ１号明細書）は、拡散限界電流原理で作動する電流測定式のセンサー（該明細書ではポラログラフィック式の測定セルと称されている）を有しており、該センサーは、酸素イオンを導く１つの固体電解質部材及び該固体電解質部材の互いに相対する面に配置された２つの電極から成っており、この場合に陰極として作動する電極は、該電極を覆う多孔質の拡散層を介して測定すべきガス若しくは気体にさらされる、即ち接するようになっている。両方の電極に一定の直流電圧を印加するようになっている。酸素は陰極で電気化学的な反応に基づき消費される。この場合に酸素に生じる濃度勾配は、拡散層を通る酸素の拡散流を発生させてしまうことになる。このことは酸素量を減少させ、ひいては測定信号に影響を及ぼすことになる。拡散層の細孔の直径は、有利には酸素分子の平均自由行程よりも小さくなっている。このような条件下では、殊にいわゆるクヌーセン拡散による酸素イオンの移動を生ぜしめ、これによって拡散流、ひいては測定信号は圧力に依存することになる。この種の装置は調節可能なヒーターを備えており、ヒーターはセンサー若しくは測定セルを約６００℃以上の一定の温度に加熱するようになっている。
【０００３】
請求項１に記載の構成を備えた、ガス圧力測定のための本発明に基づく装置は、利点として、ガス成分の濃度若しくはガス成分のモル分率、例えば気体若しくはガス中の酸素のモル分率が一定でなく時間的に変化する混合気体の圧力を極めて正確に測定でき、このために、圧力測定のために用いられる１つのガス成分のモル分率は少なくとも測定中には１００％に保たれ（固定され）ており、即ち拡散律速層には、圧力測定に用いられる混じりけのない純粋なガス成分が作用している。電流測定式のセンサーの測定値は、拡散律速層を拡散通過したガス成分の質量流Ｊによって決定される。クヌーセン拡散の場合には質量流Ｊは、拡散律速層の拡散係数Ｄと、測定に用いられるガス成分の分圧Ｐ（ＧＫ）との積に等しく、かつ混合気体の圧力Ｐとガス成分のモル分率ｘ（ＧＫ）と拡散律速層の拡散係数Ｄとの積に等しいので、次の式
Ｊ≒Ｄ・Ｐ（ＧＫ）＝Ｄ・ｘ（ＧＫ）・Ｐ
が当てはまり、拡散律速層の前でモル分率ｘ（ＧＫ）を確実に１００％に維持してあり、適切な拡散律速層の拡散係数Ｄは混合気体全体の圧力Ｐに依存せず、圧力は質量流、ひいては電流測定式のセンサーの測定値に比例している。圧力測定に用いられるガス成分は、有利には混合気体に含まれる１つのガス成分であり、或いは、例えば濃厚な排気ガスに含まれる水分から酸素イオンの分離に基づきセンサー内で形成されるガス成分若しくは酸素であってよい。
【０００４】
従属請求項に、請求項１に記載のガス圧力測定装置の有利な実施態様を記載してある。
【０００５】
本発明の１つの有利な実施態様では、ガス成分の１００％のモル分率を維持するための手段は、固体電解質内で拡散律速層の前に設けられたガス成分用の貯蔵容積を含んでおり、該貯蔵容積は別の拡散区域によって混合気体に対して閉鎖されており、さらに固体電解質に取り付けられた２つの電極を含んでおり、該電極は適当な一定の電圧の印加に際してガス成分の分子を、固定電解質を通して貯蔵容積内へ汲み入れるようになっており、従って貯蔵容積は純粋なガス成分だけで満たされる。圧力測定のためのガス成分として酸素を用いかつ、複数の成分から成る混合気体に、例えば内燃機関若しくはエンジンの排ガスにさらされる外側の電極を陽極として作動させると、固体電解質と電極と混合気体とからなる三相境界部分は酸素から酸素イオンへの反応を生ぜしめ、酸素イオンは固体電解質を通って移動し、陽極で再び酸化されて酸素物質になる。
【０００６】
本発明の有利な別の実施態様では、拡散律速層はクヌーセン拡散に必要な多孔質特性を有している。クヌーセン拡散は、拡散律速層の細孔若しくは気孔の直径をガス成分分子、例えば酸素分子の平均自由行程よりも小さくすることによって生ぜしめられる。従って拡散律速層の拡散係数は、既に述べてあるように測定ガス全体の圧力に依存していない。
【０００７】
本発明の有利な別の実施態様では、拡散区域は、圧力勾配を小さくする、即ち圧力差若しくは圧力低下を著しく小さくするように構成されている。これによって該拡散区域は、貯蔵容積と混合気体との間の圧力補償若しくは圧力バランスを可能にするために十分に通気性であるものの、混合気体が貯蔵容積内へ達することを阻止するようになっている。
【０００８】
貯蔵容積と拡散区域とは、本発明の実施態様では互いに異なって形成されていてよい。有利な実施態様では貯蔵容積は固体電解質内に設けられた室によって形成されており、該室は第１の拡散律速層に直接に接続している。拡散区域は、セラミック材料、例えば酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）から成る第２の拡散律速層によって形成されており、該拡散律速層は貯蔵容積としての前記室を排ガスの側で画定している。この場合に第２の拡散律速層は、複数の部分拡散律速層に分割されていてよく、各部分拡散律速層間にそれぞれ１つの中空室を設けてある。拡散区域は長く延びる少なくとも１つの通路によって形成されていてもよい。貯蔵容積と拡散区域とを多孔質のセラミックから成る１つのユニット、例えば装填片若しくは装入体として実施することも可能である。
【０００９】
本発明の有利な別の実施態様では、ガス成分の汲み入れのための電極は、圧力測定のための電極に対して付加的に若しくは別個に、即ち追加的に設けられた電極、即ち付加電極によって形成されており、該電極のうちの陰極として作動する付加電極は、貯蔵容積、例えば室内に配置されており、陽極として作動する付加電極は、混合気体にさらされるようになっており、かつ付加電極に直流電圧を印加するようになっている。このような構成によって利点として、圧力測定を連続的に、即ち中断なしに行うことができる。この場合に１つの電極を省略することも可能であり、このために、陽極として作動する付加電極は電流測定式のセンサーの、拡散律速層によって遮蔽されていない電極に統合されている。
【００１０】
本発明の別の実施態様ではガス成分の汲み入れのための電極として、電流測定式のセンサーの電極を用いるようになっており、このために、該電極の電圧極性を本来の圧力測定の前に切り換えて、拡散律速層に面している電極を陽極として作動させるようになっている。このような手段によって利点として、付加的な電極及び該電極のための配線を省略することができる。この場合に圧力測定は断続的に、電流計式のセンサーの拡散律速層に面している電極を陰極として作動させることによって行われる。
【００１１】
本発明の有利な実施態様では、混合気体として内燃機関の排ガスを用いるようになっており、この場合に圧力測定のためのガス成分は酸素である。乗り物における排ガス圧力測定のための装置を種々の目的で用いることができる。ラムダセンサー若しくは酸素濃度センサーの、圧力に左右される測定精度は、圧力に依存した補償によって改善される。排ガス圧力測定によって排ガス戻しの制御を改善することができ、過給圧制御に際して排ガス背圧を制限し、かつディーゼル粒子状物質フィルタの監視機能を改善することができ、さらにディーゼル粒子状物質フィルタの負荷特性を排ガスの絶対圧測定によって改善することができ、それというは排ガスの絶対圧の特性は、ディーゼル粒子状物質フィルタ若しくはディーゼルパティキュレートフィルタの流過抵抗の正確な決定を可能にするものであるからである。
【００１２】
ガス圧力測定のための本発明に基づく装置は、内燃機関の排ガス中の酸素含有量の決定のための測定センサー、いわゆるラムダセンサー、殊に広帯域ラムダセンサーにおいて特に有利に用いられる。このような測定センサーにおいては問題として、センサー信号は排ガス圧力に左右されており、従ってこの場合に生じる測定誤差は補正されねばならない。このような測定センサーに、本発明に基づく圧力測定装置は特に有利に組み込まれ、それというのは測定センサーの大部分の構成部材は、圧力測定装置の機能部材として併用され、その結果、圧力測定装置の形成のための費用を節減することができるからである。圧力測定装置を連続的に作動させることも、断続的（不連続的）に作動させることも可能であり、始めに述べた第１の例では、即ち連続的な作動の場合には、酸素濃度測定を連続的に行うと共にガス圧力も連続的に測定して、酸素濃度測定の測定値を連続的に補正するようになっており、後に述べた第２の例では、即ち断続的な作動の場合には、酸素濃度測定を所定の時間間隔で一時的に中断して、ガス圧力の測定を行うようになっている。断続的に作動する圧力測定装置においては、酸素用貯蔵容積若しくは酸素用室及び拡散区域を固体電解質内に形成することのほかには、圧力測定のための付加的（追加的）な構成部材若しくは電極及びその配線は不要である。
【００１３】
断続的な作動の別の実施態様では、基準電極及び外側のポンピング電極か、若しくは内側のポンピング電極及び外側のポンピング電極かを、第１の例で基準通路内に、第２の例で測定室に設けられて拡散律速層及び拡散区域によって閉鎖された貯蔵容積内への酸素汲み入れのために用いるようになっており、このために適切な電圧を前記所定の電極に印加するようになっている。次いで、電圧の極性を反転して、ポンピングセルの電極間に流れる限界電流を測定するようになっている。圧力測定の時間中には、測定センサーの酸素濃度測定は中断されている。
【００１４】
前記圧力測定装置の組み込まれた測定センサー、有利には広帯域ラムダセンサーを請求項１５乃至２０に記載してある。該測定センサーは、酸素濃度値の正確な測定のほかに、圧力測定装置に関して述べた前記利点をも有していて、別体の圧力センサーの取り付けを不要にしている。
【００１５】
次に本発明を、図示の実施例に基づく詳細に説明する。図面において、
図１は、連続的な測定用のガス圧力測定装置の実施例の横断面図であり、
図２は、連続的な測定用のガス圧力測定装置の別の実施例の横断面図であり、
図３は、連続的な測定用のガス圧力測定装置のさらに別の実施例の横断面図であり、
図４は、連続的な測定用のガス圧力測定装置のさらに別の実施例の横断面図であり、
図５は、不連続的な測定用のガス圧力測定装置の実施例の横断面図であり、
図６は、連続的な圧力測定用のガス圧力測定装置の組み込まれた広帯域ラムダセンサーの縦断面図であり、
図７は、不連続的な測定用のガス圧力測定装置の組み込まれた広帯域ラムダセンサーの縦断面図であり、
図８は、不連続的な測定用の別の実施例のガス圧力測定装置の組み込まれた広帯域ラムダセンサーの縦断面図である。
【００１６】
図１に概略的に示してあり混合気体の圧力測定のための装置（ガス圧力測定装置）は、限界電流原理で作動する電流測定式のセンサー１０を有している。センサー１０は、ガス成分の濃度、即ち、内燃機関若しくはエンジンの排ガスの酸素濃度を検出するようになっている。電流計式のセンサー１０は、固体電解質１１及び該固体電解質１１に装着された２つの電極１２，１３、並びに多孔質の拡散律速層１４を備えており、拡散律速層（拡散バリア）の細孔の直径は、濃度を測定すべきガス成分の平均自由行程距離よりも小さくなっている。拡散律速層１４は多孔質に基づくクヌーセン拡散を生ぜしめるようになっており、従って拡散律速層１４の拡散係数は混合気体の圧力に依存していない。両方の電極１２，１３のうちの第１の電極は固体電解質１１の外側に配置されていて、混合気体にさらされるようになっているのに対して、第２の電極は、固体電解質１１内に形成されて拡散律速層１４によって閉じられている中空室１５内に配置されている。拡散律速層１４は電極１３に直接に設けられていてよく、この場合には中空室１５は省略される。両方の電極１２，１３には一定の直流電圧を印加するようになっており、外側の第１の電極１２は陽極として作動しかつ中空室１５内の第２の電極１３は陰極として作動するようになっている。電圧源１６に接続されている両方の電極１２，１３の電流回路内に、測定抵抗器１７を接続してあり、測定抵抗器で、電流回路内に流れる限界電流に比例した電圧を取り出すようになっている。明細書では説明の煩雑さを避けるために、内燃機関の排ガスの酸素濃度の測定のためのセンサー１０について述べるものの、複数の成分から成る任意の混合気体の任意のガス成分、例えば水素の濃度を測定することも可能である。
【００１７】
両方の電極１２，１３への直流電流の印加に際して、電流測定式のセンサー１０の測定抵抗器１７から取り出される測定信号は、拡散律速層１４を流過する酸素の質量流Ｊによって規定されている。質量流は次式、即ち
Ｊ≒Ｄ・Ｐ（Ｏ２）＝Ｄ・ｘ（Ｏ２）・Ｐ
によって算出可能であり、この場合に、Ｄは拡散律速層１４の拡散係数であり、Ｐ（Ｏ２）は酸素粒子圧力であり、Ｐは排ガスの圧力であり、ｘ（Ｏ２）は酸素のモル分率である。拡散律速層１４内では選ばれた孔大きさに基づき吹き出し拡散を生ぜしめるので、拡散係数Ｄは圧力Ｐに依存せず、測定信号は酸素粒子圧力Ｐ（Ｏ２）に比例している。図示のセンサーにおいては、酸素のモル分率ｘ（Ｏ２）は拡散律速層１４の前で１００％に固定され、その結果、拡散律速層１４の前では純粋な酸素が生じている。これにより、質量流Ｊは排ガスの圧力Ｐに正確に比例しており、測定抵抗器１７を流れる限界電流は排ガスの圧力Ｐの尺度である。酸素のモル分率ｘ（Ｏ２）を１００％に固定することは、固体電解質１１内で拡散律速層１４と直接に隣接する酸素用の貯蔵容積１８を設けることによって達成され、貯蔵容積は拡散区分１９を介して排ガスに接続されており、さらに固体電解質１１を通して貯蔵容積１８内へ酸素を供給する付加的な手段が施されており、これによって貯蔵容積１８内では酸素のモル分率ｘ（Ｏ２）は少なくとも圧力測定中に１００％に保たれ、即ち貯蔵容積１８は混じりけのない純粋な酸素で満たされている。拡散区域１９は小さい圧力勾配を有するように形成されており、これによって貯蔵容積１８と排ガスとの間の圧力補償が可能であり、拡散区域が貯蔵部１８内への排ガスの拡散若しくは侵入を阻止している。
【００１８】
図１の実施例では貯蔵容積１８は、固体電解質内で拡散律速層１４と拡散区域１９との間に設けられたた室４０として形成されており、拡散区域１９はセラミック材料、例えば酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）から成る多孔質の１つの拡散律速層４１として形成されている。拡散律速層４１の代わりに複数の拡散律速層４１′，４１″を前後に配置することも可能であり、この場合には各拡散律速層間にそれぞれ１つの中空室４２を設けてある（図２）。拡散区域１９は、長く延びる単数若しくは複数の通路４３によって実施されてよく、該通路は該通路の横断面及び長さの適切な設定によって拡散区域１９の要求に適合される（図３）。貯蔵容積１８と拡散区域１９とはユニットとして、例えばセラミック材料、例えば酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）から成る充填片として構成されてよく、該充填片は拡散律速層１４に直接に接続されている（図４）。
【００１９】
貯蔵容積１８若しくは室４０内への酸素の汲み入れのために、図１の実施例では固体電解質１１上に付加的（追加的）に２つの付加電極２０，２１を取り付けてあり、この場合に一方の付加電極２０は排ガスにさらされるようになっており、かつ他方の付加電極２１は室４０内に配置されている。電圧源２２によって両方の付加電圧２０，２２に一定の直流電圧を印加するようになっており、この場合に室４０内に配置された付加電極２１は陽極として作用させられるのに対して、かつ排ガスにさらされる付加電極は陰極として作用させられるようになっている。固体電解質１１と付加電極２０と排ガスとの三相部分で酸素から酸素イオンへの還元を生ぜしめ、酸素イオンは固体電解質１１を通して導かれて付加電極２１で再び酸素に酸化される。このようにして酸素を室４０内へ連続的に汲み入れる若しくは送り込むようになっている。拡散区域１９を形成する第２の拡散律速層４１は、圧力勾配が小さくなるように、即ち拡散距離にわたる圧力低下若しくは圧力損失が小さくなるように構成されている。第２の拡散律速層４１のこのような構成によって該拡散律速層は、一方で室４０と排ガスとの間の圧力バランス若しくは圧力釣り合いを生ぜしめ、かつ他方で室４０内への排ガスの拡散を阻止する程度に通気性を有している。酸素は拡散律速層１４を通って拡散してセンサー１０の電極１３に達する。固体電解質１１と電極１３と酸素との三相部分で酸素は酸素イオンに還元され、該酸素イオンは固体電解質１１を通して導かれてセンサー１０の第１の電極１２で再び酸素に酸化される。第１の拡散律速層１４は、到来した各酸素分子が直接に酸素イオンに変換されるように役立っており、その結果、中空室１５内では酸素濃度が常にほぼ零である。固体電解質１１を介した酸素イオン移送、即ちいわゆる質量流Ｊは、測定抵抗器に限界電流を生ぜしめ、限界電流は前記式に基づき排ガスの圧力の尺度として用いられる。
【００２０】
図２乃至図４に示す実施例では、電極１２，１３及び付加電極２０，２１の配置は、図１のものと同じに行われている。この場合に付加電極２１はいずれも貯蔵容積１８内に配置されており、貯蔵容積１８は図２及び図３の実施例では、図１のものと同じように、拡散律速層１４及び拡散区域１９によって画成された室４０として形成されている。図４の実施例では、貯蔵容積としての室は、拡散律速層４１として形成された拡散区域１９の多孔質のセラミック材料で満たされている。セラミック材料、例えば酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）は、付加電極２１を覆っていて拡散律速層４１まで達している。
【００２１】
図５には、ガス圧力測定のための装置の実施例を示してあり、該実施例は次のように変更されており、即ち、貯蔵容積１８としての室４０内への酸素汲み入れのための付加電極及びその電圧源を省略してあり、センサー１０の電極１２，１３はガス圧力の測定のための測定状態から室４０内に純粋な酸素を満たす汲み入れ状態、即ちポンピング状態へ切り換えられるようになっている。このために、概略的に示す回路装置２３を設けてあり、該回路装置の切り換えによってセンサー１０の両方の電極１２，１３は交互に陽極として若しくは陰極として作動させられるようになっている。酸素汲み入れのために回路装置２３は、第２の電極１３を陽極として作動させ、かつ第１の電極１２を陰極として作動させるように切り換えられ、その結果前述のように、純粋な酸素は中空室１５内へ、次いで拡散律速層１４を通して室４０内へポンピングされる。圧力測定のために今や回路装置２３は図５に示す切り換え位置へ戻され、その結果、第１の電極１２は陽極として作動し、第２の電極１３は陰極として作動するようになる。これによって、図１で述べてあるように、酸素イオンは電極１３から固体電解質１１を通って第１の電極１２へ移動し、この場合に電流回路内に生じる限界電流は排ガスの圧力の尺度である。該装置の利点は、付加電極２０，２１及びその配線を省略できることにある。酸素のポンピングと排ガス圧力の測定とを交互に行う断続的な作動を可能にしている。図５に示す実施例においても、貯蔵容積１８及び拡散区域１９は図２乃至図４に示すように形成されていてよい。
【００２２】
ガス混合気のガス圧力測定のための装置の前述の実施例は、特に自動車のエンジン若しくは内燃機関への使用に適しており、それというのは該装置は排ガス測定のための酸素センサーに簡単に組み込まれて作用効果を生ぜしめるからである。排ガス内の酸素の濃度の尺度である酸素センサー・信号は、ガス圧力に依存していて、誤差を含んでいる。ガス圧力測定装置を用いて排ガス圧力を測定して、誤差を補正することができる。排ガス戻し装置を備えた内燃機関においては、排ガス圧力の認識若しくは検出に基づき排ガス戻し装置の制御を改善することができる。過給圧力調整装置においては、排ガスの背圧を制限することができる。ディーゼル粒子状物質フィルタを備えたディーゼルエンジンにおいては、ディーゼル粒子状物質フィルタを排ガス圧力測定によって監視することができる。過給特性を、従来の圧力センサーで測定された差圧力信号に加えて、ガス圧力測定装置で測定された絶対圧力信号によって著しく改善することができ、それというにはディーゼル粒子状物質フィルタの流過抵抗を正確に規定することができるからである。
【００２３】
図６乃至図８には、圧力測定装置の内臓された広域酸素センサーの３つの実施例の縦断面を示してある。該酸素センサーはそれ自体電流測定式のセンサー１０を成して、わずかな変更によって排ガス・圧力センサーとして用いられる。
【００２４】
センサー１０は公知の形式で、イットリウムで安定化された酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）から成り層状複合体として形成された固体電解質１１を有しており、固体電解質によってポンピングセル２４及び濃度セル若しくはネルンストセル２５を形成してある。ポンピングセル２４の形成のために固体電解質１１内に測定室２６を設けてあり、測定室は拡散律速層２７によって排ガス流入孔２８に対して仕切られている。固体電解質１１の上面に、多孔質の保護層２９によって覆われた外側のポンピング電極３０を配置してあり、かつ測定室２６内で固体電解質１１にポンピングセル２４のための内側のポンピング電極３１を配置してある。ネルンストセル２５の形成のために、固体電解質１１内に基準ガス通路３２を設けてあり、基準ガス通路内でネルンストセル２５の基準電極は、汲み入れられた基準酸素（参照酸素）にさらされるようになっている。ネルンストセル２５のネルンスト電極若しくは測定電極３４は、測定室２６内で固体電解質１１に配置されている。さらに付加的に固体電解質１１内にヒーター若しくは加熱装置を設けてあり、加熱装置は絶縁部材３５、例えば酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）内に埋め込まれた電気的な加熱導体３６を備えている。広域酸素センサーの作動形式は例えばドイツ連邦共和国特許出願公開１９９４１０５１Ａ１号明細書により公知である。
【００２５】
図６の実施例には、図１に示す連続的に測定可能なガス圧力センサーを組み込んであり、このために基準ガス通路３２は排ガスの供給を受ける開口部３７を備えており、基準ガス通路３２内で開口部３７と基準電極３３との間に拡散区域１９を設けてあり、かつ該拡散区域から基準電極３３の側に位置して酸素用の貯蔵容積１８を設けてある。貯蔵容積１８は室４０によって形成されており、拡散区域１９は圧力勾配の小さい多孔質の拡散律速層４１として形成されている。基準通路３２内において基準電極３３の、拡散区域１９とは反対の側で固体電解質１１に電極１３を配置してあり、該電極は外側のポンピング電極３０と協働して圧力測定のために用いられるようになっており、このためにポンピングセル２４の外側のポンピング電極３０は、図１の実施例を参照して、センサー１０の電極１２の機能を受け持つようになっている。電極１３への通路（配線）３８内に、測定抵抗器１７を配置してある。電極１３は拡散律速層１４によって、基準電極３３を受容する室４０に対して遮断され若しくは仕切られている。基準電極３３はポンピングセル２４の外側のポンピング電極３０と協働して、室４０内への酸素汲み入れを行うようになっており、これによって室内には常に１００％の酸素を生ぜしめられるようになっている。
【００２６】
図７及び図８に示すラムダセンサーには、図５に示すように不連続的な作動のためのガス圧力測定装置を組み込んである。該両方の実施例において、排ガス測定のための本来のラムダセンサーは、図６のラムダセンサーと同じ構造で形成してあり、従って同じ構成部分には同じ符号を付けてある。
【００２７】
図７の実施例において基準ガス通路３２は、図６の実施例と同じように、開口部３７を備えており、該開口部は排ガスで負荷されており、即ち排ガスと接していて排ガスの供給を受けるようになっている。開口部３７と基準電極３３との間で基準ガス通路３２内に、拡散区域１９（拡散律速層４１）及び、該拡散区域から基準電極の側に位置する貯蔵容積１８（室４０）を設けてある。貯蔵容積１８（室４０）は、クヌーセン拡散作用のある拡散律速層１４によって、基準電極３３に対して遮断（分離）されている。この場合に室４０内への酸素汲み入れは、図５で説明してあるように、ポンピングセル２４の外側のポンピング電極３０及び基準電極３３の適切な切り換えによって行われるようになっており、即ち、図５の実施例を参照して、ポンピングセル２４の外側のポンピング電極３０及び基準電極３３は、センサー１０の電極１２，１３の機能を受け持つようになっている。排ガス圧力の測定のためには、図５で説明してあるように、ポンピング電極３０及び基準電極３３に対する電圧電位を切り換えるようになっている。
【００２８】
圧力測定装置を組み込まれていて図８に示してあるラムダセンサー（酸素濃度センサー）の実施例では、ポンピングセル２４は所定の時間間隔でガス圧力測定に関与させられる。このために、固体電解質１１内に測定室２６へ向けて接続通路３９を設けてあり、接続通路は排ガスに対する通路開口部３９１を備えており、接続通路内には拡散区域１９及び酸素用の、測定室２６の側に位置する貯蔵容積１８を形成してある。拡散区域１９はセラミック材料から成る多孔質の拡散律速層４１として構成されており、貯蔵容積１８は室４０によって形成されている。第１の拡散律速層１４はクヌーセン・拡散を生ぜしめる。第２の拡散律速層４１はできるだけ小さい圧力勾配を有しており、これによって室４０と排ガスとの間の圧力バランスが行われる。該実施例でも図７のラムダセンサーと同様にガス圧力測定を短い時間間隔で行い、この場合にラムダ測定は中断される。ガス圧力測定は図５で述べたように行われ、ポンピングセル２４のポンピング電極３０，３１は図５の電極１２，１３の機能を担うようになっており、ガス圧力測定時には電極３０，３１に印加される電圧はポンプ作動状態から測定作動状態へ切り換えられる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】連続的な測定用のガス圧力測定装置の実施例の横断面図
【図２】連続的な測定用のガス圧力測定装置の別の実施例の横断面図
【図３】連続的な測定用のガス圧力測定装置のさらに別の実施例の横断面図
【図４】連続的な測定用のガス圧力測定装置のさらに別の実施例の横断面図
【図５】不連続的な測定用のガス圧力測定装置の実施例の横断面図
【図６】連続的な圧力測定用のガス圧力測定装置の組み込まれた広帯域ラムダセンサーの縦断面図
【図７】不連続的な測定用のガス圧力測定装置の組み込まれた広帯域ラムダセンサーの縦断面図
【図８】不連続的な測定用の別の実施例のガス圧力測定装置の組み込まれた広帯域ラムダセンサーの縦断面図
【符号の説明】
【００３０】
１０  センサー、    １１  固体電解質、    １２，１３  電極、    １４  拡散律速層、    １５  中空室、    １６  電圧源、    １７  測定抵抗器、    １８  貯蔵容積、    １９  拡散区域、    ２０，２１  付加電極、    ２２  電圧源、    ２３  回路装置、    ２４  ポンピングセル、    ２５  ネルンストセル、    ２６  測定室、    ２８  排ガス流入孔、    ２９  保護層、    ３０，３１  ポンピング電極、    ３２  基準ガス通路、    ３３，３４  基準電極、    ３５  絶縁材料、    ３６  加熱導体、    ３９  接続通路、    ４０  室、    ４１  拡散律速層、    ４２  中空室、    ４３  通路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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