(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス空間における混合気のパラメータを検出するセンサ素子（１０）において、
前記センサ素子（１０）は、第１の電極（２０）と、第１の拡散バリア層（３０）と、第２の電極（４０）と、固体電解質（５０）とを有しており、
前記第１の拡散バリア層（３０）は、該第１の拡散バリア層（３０）が所定の第１の領域において前記第１の電極（２０）と接続されており、且つ、前記第１の領域内においてのみ前記第１の電極（２０）に前記第１の拡散バリア層（３０）を介して前記ガス空間の前記混合気が供給されるように配置されており、
前記第２の電極（４０）は、別の第１の領域において前記第２の電極（４０）に前記ガス空間の前記混合気が供給されるように配置されており、
前記固体電解質（５０）は前記第１の電極（２０）及び前記第２の電極（４０）と接続されるように構成されており、
前記センサ素子は平面状の層構造を有しており、前記第１の電極（２０）及び前記第２の電極（４０）は、第１の軸（Ａ１）に沿って所定の間隔を空けて、且つ、それぞれの層及び前記第１の軸（Ａ１）に直交する第２の軸（Ａ２）に沿って垂直方向に相互にずらされて、少なくとも部分的に前記固体電解質（５０）内に埋設されており、
前記第２の電極（４０）の表面及び前記第１の拡散バリア（３０）の表面が一つの平面を形成し、
前記第２の電極（４０）には、前記平面を介して前記ガス空間の前記混合気が供給され、
前記第１の電極（２０）には、前記平面と、間接的に前記第１の拡散バリア層（３０）とを介して前記ガス空間の前記混合気が供給されることを特徴とする、センサ素子（１０）。
【請求項２】
前記第１の拡散バリア層（３０）は多孔性のセラミック材料を有している、請求項１に記載のセンサ素子（１０）。
【請求項３】
前記第１の拡散バリア層（３０）はジルコニアを有している、請求項１又は２に記載のセンサ素子（１０）。
【請求項４】
前記センサ素子（１０）は第２の拡散バリア層を有しており、
前記第２の拡散バリア層は、該第２の拡散バリア層が前記別の第１の領域において前記第２の電極（４０）と接続されており、且つ、前記別の第１の領域においてのみ前記第２の電極（４０）に前記第２の拡散バリア層を介して前記ガス空間の前記混合気が供給されるように配置されており、
前記第２の拡散バリア層は前記混合気の少なくとも一つの所定のガス成分に対して、前記第１の拡散バリア層（３０）の第１の拡散抵抗よりも低い第２の拡散抵抗を有している、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のセンサ素子（１０）。
【請求項５】
前記第１の拡散バリア層（３０）及び前記第２の拡散バリア層は同一のセラミック材料を有している、請求項４に記載のセンサ素子（１０）。
【請求項６】
前記第２の電極（４０）の前記別の第１の領域は、前記第１の電極（２０）の前記第１の領域よりも大きい面積を有している、請求項１乃至５のいずれか一項に記載のセンサ素子（１０）。
【請求項７】
ガス空間内に配置されており、且つ、電流源と電気的に接続されている第１の電極（２０）及び第２の電極（４０）を備えている、請求項１乃至６のいずれか一項に記載のセンサ素子（１０）を用いて前記ガス空間における混合気のパラメータを検出する方法において、
測定フェーズ中に遮断を目的として前記電流源を制御するステップと、
前記測定フェーズ中に、前記第１の電極（２０）と前記第２の電極（４０）との間の電極電圧を検出し、所定の目標電圧からの前記電極電圧の偏差に依存してポンプ電流を求めるステップと、
時間的に前記測定フェーズに続く動作フェーズにおいて、前記電流源が前記センサ素子（１０）の前記第２の電極（４０）に前記ポンプ電流を供給するように前記電流源を制御するステップ、但し、前記測定フェーズの複数のステップ、並びにそれに続く、前記第２の電極（４０）に前記ポンプ電流を供給するために前記電流源を制御するステップを、前記電極電圧と前記所定の目標電圧との間の偏差を最小にすることを目的として何度も実行する、
前記ポンプ電流に依存して、前記ガス空間における前記混合気のパラメータを求めるステップとを備えていることを特徴とする、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス空間における混合気のパラメータを検出するためのセンサ素子と方法に関する。
【０００２】
内燃機関の排気管内の排ガスの燃料空気混合気の組成を検出するために、今日の自動車は一つ又は複数の固体電解質センサを排ガス管内に有している。このコンテキストにおいて、その種の固体電解質センサはラムダセンサという名称でも公知である。それらの固体電解質センサは、電解質の特性を備えている固体をそれぞれ一つずつ有している。即ち、固体は特定のイオンを電気的に誘導する能力を有している。ラムダセンサの種々多様な実施の形態が既に公知となっている。
DE 38 34 987 A1には、混合気、特に内燃機関の廃ガスのλ値を検出するための、限界電流センサ用のセンサ素子が開示されている。このセンサ素子は、Ｏ-2イオンを案内する固体電解質上に配置されている外側のポンプ電極及び内側のポンプ電極を備えており、それら２つの電極の内、内側のポンプ電極は拡散ギャップを通過して供給される測定ガスを受け取り、拡散ギャップは固体電解質によって覆われており、拡散ギャップに対する覆いを形成する固体電解質は、セラミック基板をシルクスクリーン技術で印刷することによって形成される固体電解質層である。
DE 20 2004 015 400 U1には、酸素測定のため、並びに体積流測定及び／又は流入量測定のためのセンサが開示されており、このセンサにおいては、絶縁体から成るプレート状の支持体の第１の表面の一領域に、固体電解質の複数の層と、給電線を備えた電極と、複数ある電極の内の一つの給電線以外の部分を覆っている拡散バリアとが相互に並んで配置されている。プレート状の支持体の第１の表面とは反対側の第２の表面の一領域においては、導電体から成る層が少なくとも一つの加熱素子として配置されている。
EP 0 152 942 A2には、混合気の燃料空気混合比を検出するための装置が開示されている。この装置は第１の側及び第２の側を備えている分離部を有している。この分離部は、第１の側において、大気を受け取り、且つ、大気と空気式に接続されている空間を画定し、また第２の側において、排ガスを受け取り、且つ、排ガス源と空気式に接続されている空間を画定する。分離部はまた、酸素イオン伝導性の固体電解質の少なくとも一部を含んでいる。更に装置は、大気に晒されている第１の電極手段と、排ガスに晒されている第２の電極手段とを有しており、酸素イオン伝導性の固体電解質は第１の電極手段と第２の電極手段との間に配置されている。装置は排ガスを受け取る空間への排ガスの拡散を制限するための手段も有している。
DE 31 08 305 A1には、排ガスにおけるラムダ当量点を検出するための、拡散限界電流の原理に従い動作するポーラログラフ測定センサが記載されており、このポーラログラフ測定センサは、プレートの形態の酸素イオン伝導性の固体電解質を備えており、この固体電解質は一方の側においてアノードを担持し、他方の側においてカソードを担持しており、それらアノード及びカソードに一定の電圧を印加することができる。カソードは多孔性の層の形態の拡散バリアでもって覆われている。二つの電極は測定すべきガスに晒されている。カソードは二つの部分カソードに分割されており、それら二つの部分カソードは測定領域において隣接して並んで配置されており、また一方の部分カソードは他方の部分カソードよりも強い陰極極性が与えられている。
EP 0 607 385 A1には、内燃機関の排ガスにおける特定の成分の濃度を検出するためのセンサが開示されている。センサはポンプセルを有しており、このポンプセルのカソードには第１の拡散バリアが設けられており、アノードには第２の拡散バリアが設けられている。代替的な実施の形態においては、センサが無負荷の基準電極を有しており、この基準電極は、電極のうちの少なくとも一つの電極の基準電極に対する分極を測定するために測定ガス中に設けられている。
DB 196 10 911 A1には、固体電解質によって形成されている内壁を備えている測定チャンバと、少なくとも一つの電極ペアを有しているガスセンサを用いて、混合気中のガスの部分圧、特に空気における部分圧を検出するための装置が開示されている。電極ペアを形成する一方の内側の電極は測定チャンバ内に配置されており、他方の外側の電極は混合気と接触している。更に装置は制御ユニットを有しており、この制御ユニットは動作時に固体電解質に対応付けられている電極ペアにポンプ電圧を印加し、それによりポンプ電流を形成するために設けられている。制御ユニットはポンプ電流を一時的に遮断する。装置はまた測定ユニットも有しており、この測定ユニットは無電流の時間中に、ネルンスト電圧によって形成される、固体電解質に対応付けられている電極ペアの電位差を測定する。
【０００３】
本発明が基礎とする課題は、ガス空間における混合気のパラメータを確実且つ正確に検出できることに寄与する、ガス空間内の混合気のパラメータを検出するためのセンサ素子並びに方法を提供することである。
【０００４】
この課題は、独立請求項の特徴部分に記載されている構成によって解決される。本発明の有利な発展形態は従属請求項に記載されている。
【０００５】
第１の態様によれば、本発明は、ガス空間における混合気のパラメータを検出するためのセンサ素子を特徴とする。センサ素子は第１の電極並びに第１の拡散バリア層を含んでおり、この第１の拡散バリア層は、所定の第１の領域において第１の電極と接続されており、且つ、その第１の領域内だけで第１の電極に第１の拡散バリア層を介してガス空間の混合気が供給されるように配置されている。更には、センサ素子は第２の電極を有しており、この第２の電極は別の第１の領域においてガス空間の混合気が供給されるように配置されている。センサ素子は固体電解質を含んでおり、この固体電解質は第１の電極及び第２の電極と接続されるように構成されている。センサ素子は平面状の層構造を有している。第１の電極及び第２の電極は、第１の軸に沿って所定の間隔を空けて、且つ、それぞれの層及び第１の軸に直交する第２の軸Ａ２に沿って垂直方向に相互にずらされて、少なくとも部分的に固体電解質内に埋設されている。第２の電極の表面及び第１の拡散バリアの表面は一つの平面を形成し、第２の電極には、前述の平面を介してガス空間の混合気が供給され、また、第１の電極には、前述の平面と、間接的に第１の拡散バリア層とを介してガス空間の混合気が供給される。
【０００６】
固体電解質は特に機械的に第１の電極及び第２の電極と接続されている。固体電解質は有利には、特定の動作温度範囲において酸素イオンを電解により輸送することができるように構成されている。有利には、本発明によるセンサ素子を廉価に製造することができる。更に本発明は、センサ素子が中空部得及び／又はガス流入チャネルを備えていない層構造を有していることから、センサ素子の寿命を延ばし、またセンサ素子の信頼性を高めることに寄与することができる。中空部及び／又はガス流入チャネルを備えているガス流入制限部を介して第１の電極にガス空間の混合気が供給されるセンサ装置では、例えば凝縮液が中空部及び／又はガス流入チャネルに浸透する可能性がある。センサ装置は大きい温度変動に晒されているので、例えばそれぞれの中空部を包囲している固体電解質において熱機械的な応力が発生する可能性がある。熱機械的な応力によってセンサ装置が損傷する虞がある。第１の電極及び第２の電極を垂直方向にずらして配置することによって、第１の電極の第１の領域及び第２の電極の別の第１の領域を第２の軸に関して垂直方向に相互にずらして配置することができる。
【０００７】
一つの有利な実施の形態においては、第１の拡散バリア層が多孔性のセラミック材料を有している。
【０００８】
一つの別の有利な実施の形態においては、第１の拡散バリア層がジルコニアを有している。
【０００９】
一つの別の有利な実施の形態においては、第１の電極及び第２の電極が固体電解質の同一の側に配置されている。これによりセンサ素子の廉価な製造が実現される。
【００１１】
一つの別の有利な実施の形態においては、センサ素子が第２の拡散バリア層を有している。第２の拡散バリア層は、この第２の拡散バリア層が別の第１の領域において第２の電極と接続されており、且つ、第２の電極には別の第１の領域において第２の拡散バリア層を介してガス空間の混合気が供給されるように配置されている。第２の拡散バリア層は混合気の少なくとも一つの所定のガス成分に対して、第１の拡散バリア層の第１の拡散抵抗よりも低い第２の拡散抵抗を有している。所定のガス成分に対する第２の拡散抵抗は有利には第１の拡散抵抗よりも遙かに低い。有利には、ガス成分は酸素分子を含む。第２の拡散バリア層を例えば、第２の電極が酸化可能なガス成分、例えば炭化水素及び水素分子から遮蔽されるように構成することができる。
【００１２】
一つの別の有利な実施の形態においては、第１の拡散バリア層及び第２の拡散バリア層が同一のセラミック材料を有している。これによりセンサ素子の簡単な製造が実現される。
【００１３】
一つの別の有利な実施の形態においては、第２の電極の別の第１の領域が第１の電極の第１の領域よりも大きい面積を有している。
【００１４】
第２の態様によれば、本発明は、ガス空間内に配置されており、且つ、電流源と電気的に接続されている第１の電極及び第２の電極を備えている、第１の態様によるセンサ素子を用いてガス空間における混合気のパラメータを検出するための方法を特徴とする。この方法は以下の複数のステップを備えている：
測定フェーズ中に遮断を目的として電流源を制御するステップ。
測定フェーズ中に、第１の電極と第２の電極との間の電極電圧を検出し、所定の目標電圧からの電極電圧の偏差に依存してポンプ電流を求めるステップ。
時間的に測定フェーズに続く動作フェーズにおいて、電流源がセンサ素子の第２の電極にポンプ電流を供給するように電流源を制御するステップ。測定フェーズの上記のステップ、並びにそれに続く、第２の電極にポンプ電流を供給するために電流源を制御するステップは、電極電圧と所定の目標電圧との間の偏差を最小にすることを目的として何度も実行される。
ポンプ電流に依存して、ガス空間における混合気のパラメータを求めるステップ。
【００１５】
例えば、測定フェーズは所定の一定の持続時間を有することができ、且つ、動作フェーズは所定の一定の第２の持続時間を有することができ、また、測定フェーズと動作フェーズを周期的に繰り返すことができる。有利には、新たな測定フェーズは、先行の測定フェーズに続く動作フェーズの直後に開始される。しかしながら、別の動作パラメータを検出するため、例えばポンプ電圧を検出するために、動作フェーズを一つ又は複数の別のフェーズにわたり中断することもできる。ポンプ電流に依存する混合気のパラメータは例えば、一つの測定フェーズ又は直接連続的に続く複数の測定フェーズにおいて、電極電圧と目標電圧との偏差が実質的に０である場合にその都度求められる。測定フェーズ中に電流源が遮断を目的として制御され、それにより電流源はセンサ素子に電流を実質的に供給しない、特に電流を全く供給しない。測定フェーズ中に検出された電極電圧はネルンスト電圧を表すことができる。従って、本発明による方法は、ガス空間における混合気のパラメータを正確且つ確実に求めること、有利には混合気の酸素濃度を正確且つ確実に求めることに寄与することができる。更には、電流源を制御してセンサ素子を動作させることによって、固体電解質の寿命、従ってセンサ素子の寿命を、センサ素子の電流滴定的な動作に比べて延ばすことができる。電流滴定的な動作では、所定の電圧が第１の電極及び第２の電極に印加され、それらの二つの電極間に流れる電流が検出される。センサ素子の電流滴定的な動作では、特に第２の電極において酸素分子が存在しない場合、又は極僅かにしか存在しない場合には、第１の電極及び第２の電極に印加される電圧によって固体電解質に形成される電界が固体電解質のジルコニアを少なくとも部分的に分解するので、それによって、ある程度の時間が経過すると固体電解質がその電解質的な特性を失う可能性がある。有利には、パラメータを求めるために、センサ素子に電極が二つだけ設けられていれば十分である。酸素供給のための基準チャネル及び／又は基準電極はこのために必要無い。従って、センサ素子への給電線の数を同様に少なくすることができる。
【００１６】
第３の態様によれば、本発明は、ガス空間内に配置されており、且つ、電流源と電気的に接続されている第１の電極及び第２の電極を備えているセンサ素子を用いて、ガス空間における混合気のパラメータを検出するための方法を特徴とする。この第３の態様において、センサ素子は前述の第１の電極及びガス流入制限部を有しており、このガス流入制限部は所定の第１の領域において第１の電極にガス流入制限部を介してガス空間の混合気が供給されるように配置及び構成されている。更には、センサ素子は前述の第２の電極を有しており、この第２の電極は別の第１の領域においてガス空間の混合気が供給されるように配置されている。センサ素子は固体電解質を含んでおり、この固体電解質は第１の電極及び第２の電極と接続されるように構成されている。この第３の態様において、方法は以下の複数のステップを備えている：
測定フェーズ中に遮断を目的として電流源を制御するステップ。
測定フェーズ中に、第１の電極と第２の電極との間の電極電圧を検出し、所定の目標電圧からの電極電圧の偏差に依存してポンプ電流を求めるステップ。
時間的に測定フェーズに続く動作フェーズにおいて、電流源がセンサ素子の第２の電極にポンプ電流を供給するように電流源を制御するステップ。測定フェーズの上記のステップ、並びにそれに続く、第２の電極にポンプ電流を供給するための電流源を制御するステップは、電極電圧と所定の目標電圧との間の偏差を最小にすることを目的として何度も実行される。
ポンプ電流に依存して、ガス空間における混合気のパラメータを求めるステップ。
【００１７】
有利にはそのようにして、センサ素子が二つの電極と、固体電解質と、チャネル及び／又はチャンバを備えているガス流入バリアを含んでいるセンサ装置を用いて混合気のパラメータを検出することができる。チャネル又はチャンバは、例えば、付加的な拡散バリアを有することができ、この拡散バリアはガス空間の混合気のチャンバ又はチャネルへの進入を制限するように配置及び構成されている。
【００１８】
第２の態様及び第３の態様による本発明の一つの有利な実施の形態においては、センサ素子が固体電解質を加熱するための加熱素子を有している。加熱素子は測定フェーズ中に遮断を目的として制御され、また、動作フェーズ中に加熱素子は固体電解質の所定の動作温度を調整することを目的として制御される。これによって、ネルンスト電圧を表すことができる電極電圧をより正確に検出することができる。
【００１９】
第２の態様及び第３の態様による本発明の一つの別の有利な実施の形態においては、パラメータが混合気の酸素濃度を表す。
【００２０】
第２の態様及び第３の態様による本発明の一つの別の有利な実施の形態においては、ガス空間が内燃機関のインテークチャンバである。
第３の態様による一つの別の有利な実施の形態においては、ガス流入制限部が第１の拡散バリア層を含んでいる。第１の拡散バリア層は、この第１の拡散バリア層が所定の第１の領域において第１の電極と結合されており、且つ、その第１の領域内だけで第１の電極に第１の拡散バリア層を介してガス空間の混合気が供給されるように配置されている。
【００２１】
以下では、本発明の複数の実施例を概略的な図面に基づき説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】ガス空間における混合気のパラメータを検出するためのセンサ素子の第１の実施例の断面図を示す。
【図２】ガス空間における混合気のパラメータを検出するためのセンサ素子の第２の実施例の断面図を示す。
【図３】固体電解質を通る酸素イオンの輸送の原理図を示す。
【図４】ポンプ電流と酸素濃度の関係を表す特性曲線を示す。
【図５】ネルンスト電圧のグラフを示す。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
同一の構造又は同一の機能の素子には図面を通して同一の参照番号を付している。
【００２４】
図１には、ガス空間における混合気のパラメータを検出するためのセンサ素子１０の第１の実際例が示されている。センサ素子１０を例えば、自動車内の一つ又は複数の個所に配置することができる。例えば、センサ素子１０を自動車の内燃機関の吸気管内の一つ又は複数の個所、例えば吸気管のインテークチャンバ内に配置することができる。センサ素子１０を例えば、排気再循環の合流部の下流側における吸気管内の酸素濃度を求めるために使用することができる。択一的又は付加的に、センサ素子１０を内燃機関の排気管内に配置することができる。有利には、センサ素子１０を酸素濃度が約２％よりも高い、特に５％よりも高い周囲環境において使用することができる。
【００２５】
センサ素子１０は第１の電極２０並びに第１の拡散バリア層３０を有している。第１の拡散バリア層３０は、この第１の拡散バリア層３０が所定の第１の領域において第１の電極２０と接続されており、且つ、その第１の領域内だけで第１の電極２０に第１の拡散バリア層３０を介してガス空間の混合気が供給されるように配置されている。更に、センサ素子１０は第２の電極４０を有しており、この第２の電極４０は、別の第１の領域においてガス空間の混合気が供給されるように配置されている。またセンサ素子１０は固体電解質５０も有しており、この固体電解質５０は第１の電極２０及び第２の電極４０と接続されるように構成されている。固体電解質５０は例えばイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）を有することができる。第１の電極２０及び第２の電極４０は例えば貴金属、例えば白金、パラジウム、イリジウム、タンタル又はそれらの金属の組み合わせを有することができる。図１に示されているセンサ素子１０においては、第１の電極２０及び第２の電極４０が固体電解質５０の同一の側に配置されている。センサ素子１０は例えば平面状の層構造を有することができる。センサ素子１０は例えば保護層９０を有することができる。保護層９０に例えば加熱素子７０を埋設することができる。加熱素子７０と固体電解質５０との間に、例えば熱絶縁体８０を配置することができる。例えば、固体電解質５０の動作温度を調整するために加熱素子７０を使用することができる。
【００２６】
センサ素子１０の図２に示されている実施例においては、第１の電極２０及び第２の電極４０が、第１の軸Ａ１に沿って所定の間隔を空けて、且つ、第１の軸Ａ１に直交する第２の軸Ａ２に沿って垂直方向に相互にずらされて、少なくとも部分的に固体電解質５０内に埋設されている。センサ素子１０は例えば支持体６０、加熱素子７０及び熱絶縁体８０を有することができ、それらを平面状の層として構成することができる。加熱素子７０と固体電解質５０との間に、例えば熱絶縁体８０を配置することができる。
【００２７】
図３には、固体電解質５０を通る酸素イオンの輸送の原理図が示されている。内部にセンサ素子１０を配置することができるガス空間、例えば内燃機関のインテークチャンバは例えば、２％よりも高い酸素濃度、例えば約１０％から２０％の酸素濃度を有することができる。混合気に含まれる酸素は拡散バリア層を介して第１の電極２０に拡散する。拡散バリア層は所定の第１の拡散抵抗を有している。
【００２８】
有利には、センサ素子１０は動作フェーズ中、第１の電極２０がカソードとして動作し、且つ、第２の電極４０がアノードとして動作するように動作する。このために、第１の電極２０及び第２の電極４０は、第２の電極４０がアノード機能を有し、且つ、第１の電極２０がカソード機能を有するように、電流源、又は択一的に電圧源と電気的に接続されている。リーンな混合気が拡散バリアを通過して侵入すると、酸素分子が第１の電極２０において電気化学的に酸素イオンに還元される。カソード機能を有している第１の電極２０においては、一つの酸素分子が四つの電子を受け取る。つまり、各酸素分子からそれぞれ二つの酸素イオンが生じる。固体電解質５０は例えば酸化イットリウム（Ｙ2Ｏ3）でドーピングされているジルコニアを有している。ジルコニアの格子構造における、ドーピングに起因する欠陥個所によって、酸素イオンは固体電解質５０を介して拡散することができる。負の酸素イオンは第１の電極２０に引き寄せられ、第２の電極４０において再結合される。第１の電極２０及び第２の電極４０は例えば多孔性の貴金属を有することができ、例えば電極２０，４０はサーメット材料を有することができる。
【００２９】
酸素分子の暗電流は第１の拡散バリア層３０又は別の構成のガス流入バリアによって制限される。第１の電極２０から離れる方向における酸素イオンの所期の輸送によって、第１の電極２０における酸素濃度はほぼ０に低下する。従って、１の空気比（λ＝１）に対応する０％の酸素濃度を有している、第１の電極２０における基準ガス周囲環境を生じさせることができる。
【００３０】
センサ素子１０は動作フェーズ中に限界電流モードで動作する。この限界電流モードにおいては、第１の電極２０においてλ＝１の基準ガス周囲環境を生じさせるために必要とされるポンプ電流が、ガス空間における酸素濃度に依存する。ガス空間における酸素濃度を、例えば所定の特性曲線に依存して求めることができる。
【００３１】
図４には、センサ素子１０の限界電流モードに関する、ポンプ電流と酸素濃度の関係を表すその種の特性曲線が示されている。
【００３２】
センサ素子１０を用いてガス空間における混合気のパラメータを検出するために、ガス空間内に配置されており、且つ、第１の電極２０及び第２の電極４０を備えているセンサ素子１０を電流源と電気的に接続することができる。測定フェーズ中に電流源は遮断を目的として制御される。従って、測定フェーズ中にポンプ電流は実質的に流れない。センサ素子１０の加熱素子７０は測定フェーズ中に同様に遮断を目的として制御される。測定フェーズ中に、第１の電極２０と第２の電極４０との間の電極電圧が検出され、また、所定の目標電圧からの電極電圧の偏差に依存してポンプ電流が求められる。測定フェーズを例えば１ｍｓ持続させることができる。二つの電極２０，４０における異なる酸素分圧に起因して、第１の電極２０及び第２の電極４０は電位差を有しており、この電位差はネルンスト電圧の名称としても既知である。ポンプ電流が比較的長い時間にわたり遮断されたままであると、第１の電極２０の酸素分圧と第２の電極４０の酸素分圧が順応され、従ってネルンスト電圧が低下する。実質的にポンプ電流が流れていない場合には、ネルンスト電圧を測定フェーズにおいて測定することができる。ポンプ電流が能動的にセンサ素子１０に供給される動作フェーズ中には、第１の電極２０と第２の電極４０との間にポンプ電圧が印加され、このポンプ電圧は、第１の電極２０と第２の電極４０との間のセルインピーダンスとポンプ電流の積と、ネルンスト電圧との和を表す。
【００３３】
第１の電極２０におけるλ＝１の基準ガス周囲環境が少なくとも近似的に一定に維持されるようにポンプ電流を閉ループ制御するためにネルンスト電圧を使用することができる。センサ素子１０は有利には、混合気が少なくとも２％よりも高い、特に５％よりも高い酸素濃度を有している周囲環境において使用されるので、第１の電極２０において一定に維持される基準ガス周囲環境を生じさせるために、第２の電極４０は第１の電極２０に対する基準電極として十分である。実質的に２１％の酸素濃度を有する空気管内に配置されている理想的な基準電極と比較すると、第１の電極２０において酸素濃度が０％である場合には、測定されたネルンスト電圧は極僅かにしか異ならない。
【００３４】
図５には、ネルンスト電圧のグラフが示されている。混合気中の酸素濃度の変化によって先ず第１の電極２０における酸素濃度が変化し、それによって検出されるネルンスト電圧が変化する。例えば４００ｍＶの所定の目標値からの、検出されたネルンスト電圧の偏差に依存して、ポンプ電流を適合させることができ、それにより、第１の電極２０においては０％の酸素濃度を有している基準ガス周囲環境が再度生じる。
【００３５】
このために、時間的に測定フェーズに続く動作フェーズにおいては、電流源がセンサ素子１０の第２の電極４０にポンプ電流を供給するように、電流源が制御される。センサ素子は限界電流モードで動作する。動作フェーズ中に加熱素子７０が、固体電解質５０の所定の動作温度の調整を目的として制御される。動作温度として例えば６５０℃が考えられる。動作フェーズを例えば４ｍｓ持続させることができる。測定フェーズの複数のステップ、並びにそれに続く、第２の電極４０にポンプ電流を供給するために電流源を制御するステップは、電極電圧と所定の目標電圧との間の偏差を最小にすることを目的として何度も実行される。ポンプ電流に依存して、ガス空間における混合気のパラメータが求められる。パラメータは例えば、検出された電極電圧と目標電圧との間の偏差が最小であることが検出される度に求められる。例えば、センサ素子１０の限界電流モードにおける酸素濃度とポンプ電流との関係を表す所定の特性曲線に依存して、混合気の酸素濃度を求めることができる。
【００３６】
更には、所定の時間間隔を空けて目標電圧を変化させることもできる。例えば、動作フェーズ４ｍｓ持続し、且つ、測定フェーズが１ｍｓ持続する場合、目標電圧は毎秒切り替えられて、第１の電圧値及び第２の電圧値を交互に有することができる。このことは、固体電解質５０における分極作用を小さく抑えることができるという利点を有している。
【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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