(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定ガスと結合している測定電極と、基準ガス容積と結合し且つ固体電解質を介して測定電極と結合している基準電極とを備えた酸素含有量センサを備え、この場合、前記基準電極と前記測定電極との間に周期的なポンピング電流パルスが加えられる、ネルンストの原理に基づいて作動する少なくとも１つの濃淡電池による測定ガス中の酸素含有量の測定方法において、
各ポンピング電流パルスの終了直後に、前記基準電極と前記測定電極との間の電流の流れがパルス状に反転されることを特徴とする測定ガス中の酸素含有量の測定方法。
【請求項２】
前記基準電極と前記測定電極との間に、前記ポンピング電流パルスとは逆に流れる逆電流パルスであって、設定可能な時間長さ及び設定可能な電流強さの電流パルスが加えられることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
逆電流パルスの時間長さ及び電流強さは、逆電流パルスにより前記酸素含有量センサに与えられる電荷量が、ポンピング電流パルスにより前記酸素含有量センサに与えられる電荷量より小さいように選択されることを特徴とする請求項１又は２記載の方法。
【請求項４】
前記基準電極と前記測定電極との間に所定の時間長さの短絡が形成されることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項５】
測定ガスと結合している測定電極と、基準ガス容積と結合し且つ固体電解質を介して測定電極と結合している基準電極とを備えた酸素含有量センサと、前記基準電極と前記測定電極との間に周期的なポンピング電流パルスを加えることが可能なポンピング電流源とを備えた、ネルンストの原理に基づいて作動する少なくとも１つの濃淡電池を含む測定ガス中の酸素含有量の測定装置において、
各ポンピング電流パルスに続いて、前記基準電極と前記測定電極との間に、ポンピング電流パルスとは逆方向の逆電流パルスであって、設定可能な時間長さ及び設定可能な電流強さの電流パルスを加えることが可能な少なくとも１つの逆向きの電流源が設けられていることを特徴とする測定ガス中の酸素含有量の測定装置。
【請求項６】
前記逆電流パルスが前記ポンピング電流パルスより短いことを特徴とする請求項５記載の装置。
【請求項７】
前記逆電流パルスの時間長さが前記ポンピング電流パルスの時間長さのほぼ１／２０ないし１／１０の大きさであることを特徴とする請求項６記載の装置。
【請求項８】
逆電流パルスの時間長さ及び電流強さは、逆電流パルスにより前記酸素含有量センサに与えられる電荷量が、ポンピング電流パルスにより前記酸素含有量センサに与えられる電荷量より明らかに小さいように設定されていることを特徴とする請求項５又は６記載の装置。
【請求項９】
測定ガスと結合している測定電極と、基準ガス容積と結合し且つ固体電解質を介して測定電極と結合している基準電極とを備えた酸素含有量センサと、前記基準電極と前記測定電極との間に周期的なポンピング電流パルスを加えることが可能なポンピング電流源とを備えた、ネルンストの原理に基づいて作動する少なくとも１つの濃淡電池を含む測定ガス中の酸素含有量の測定装置において、
各ポンピング電流パルスに続いて、前記基準電極と前記測定電極との間に、設定可能な時間長さにわたる短絡又は低抵抗結合による短絡パルスを形成可能な切換手段が設けられていることを特徴とする測定ガス中の酸素含有量の測定装置。
【請求項１０】
前記短絡パルスが前記ポンピング電流パルスより短いことを特徴とする請求項９記載の装置。
【請求項１１】
前記短絡パルスの時間長さが前記ポンピング電流パルスの時間長さのほぼ１／２０ないし１／１０の大きさであることを特徴とする請求項１０記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は第１に、測定ガスと結合している測定電極と、基準ガス容積（室）と結合し且つ固体電解質を介して測定電極と結合している基準電極とを備え、この場合、基準電極と測定電極との間に好ましくは周期的なポンピング電流パルスが加えられる、ネルンストの原理に基づいて作動する少なくとも１つの濃淡電池による測定ガス中の酸素含有量の測定方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
このような方法は例えば国際特許出願第９５／２４６４３号から既知である。好ましくは周期的なポンピング電流パルスを基準電極及び測定電極に加えることは、これにより２つの切換状態が発生し、その第１の切換状態において電流源が濃淡電池と結合され、そしてその第２の切換状態において電流源が濃淡電池から切り離され、従って測定信号として働く測定電極と基準電極との間の電圧がこの切離し状態において電流源による影響を受けないという利点を有している。従って、電流を流したとき一方で固体電解質の内部抵抗が温度の関数であるために測定信号の外乱を示すことになる測定信号の加算的電圧成分は回避される。
【０００３】
このような測定ガス中の酸素含有量の測定方法及び測定装置においては、時間手段を介して濃淡電池内に十分な酸素分圧を形成するために、周期的なポンピング基準においては周期的でないポンピング基準においてよりも基準ポンピング電流がより高く選択されなければならないということが問題である。
【０００４】
これにより、濃淡電池においてより高いポンピング電流により、特に濃淡電池が低温状態において、強い分極効果が発生し、従って本来のセンサ信号がこの分極効果により誤った値となることがある。即ち、分極効果により本来の測定信号に加算的電圧成分が発生し、この加算的電圧成分がポンピング電流パルスの後に存在する信号シフトを発生させることになる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
測定センサ内の分極効果により測定信号が誤った値となることが低減され又は完全に解消されるようにこの種の測定ガス中の酸素含有量の測定方法及び装置を改善することが本発明の課題である。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この課題は、冒頭記載のタイプの測定ガス中の酸素含有量の測定方法において、本発明により、各ポンピング電流パルスの終了直後に、基準電極と測定電極との間の電流の流れがパルス状に反転されることにより解決される。基準電極と測定電極との間を流れる電流のこのパルス状反転により、濃淡電池内の分極の極めて急速な低減が可能となることは特に有利である。
【０００７】
純原理的に、基準電極と測定電極との間の電流の流れをパルス状に反転するために種々の方法が存在する。
【０００８】
有利な実施形態は、基準電極と測定電極との間に、ポンピング電流パルスに対して逆に流れる、設定可能な時間長さ及び設定可能な電流強さの電流パルスが加えられるように形成されている。この逆電流パルスにより、分極効果により形成されるセンサ電圧のシフトは著しく低減される。
【０００９】
逆電流パルスの時間長さ及び電流強さは、逆電流パルスにより酸素含有量センサに与えられる電荷量が、ポンピング電流パルスにより酸素含有量センサに与えられる電荷量より明らかに小さいように選択されることは有利である。
【００１０】
特に極めて簡単に形成可能な他の実施形態においては、基準電極と測定電極との間に短い時間長さの短絡（短絡パルス）が形成されるように設計されている。このような短絡パルスによってもまた、分極効果により濃淡電池内に形成されるセンサ電圧のシフトが著しく低減される。
【００１１】
更に本発明は、測定ガスと結合している測定電極と、基準ガス容積と結合し且つ固体電解質を介して測定電極と結合している基準電極と、当該基準電極と測定電極との間に好ましくは周期的なポンピング電流パルスを加えることが可能なポンピング電流源とを備えた、ネルンストの原理に基づいて作動する少なくとも１つの濃淡電池を含む測定ガス中の酸素含有量の測定装置に関するものである。
【００１２】
これに関しては、分極効果により濃淡電池内に形成される測定電圧の変化の極めて急速な低減が実行可能なように上記の測定ガス中の酸素含有量の測定装置を改良することが本発明の課題である。
【００１３】
この課題は、本発明により、各ポンピング電流パルスに続いて、基準電極と測定電極との間に、ポンピング電流パルスに対して逆方向の、設定可能な時間長さ及び設定可能な電流強さの電流パルス（逆電流パルス）を加えることが可能な少なくとも１つの逆向きの電流源が設けられていることにより解決される。
【００１４】
この課題は、本発明により更に、各ポンピング電流パルスに続いて、基準電極と測定電極との間に、設定可能な時間長さにわたる短絡又は低抵抗結合（短絡パルス）を形成可能な切換手段が設けられていることによってもまた解決される。
【００１５】
逆電流パルス及び短絡パルスの形成に関しては、以上においてはまだ詳細な実施形態が与えられていなかった。逆電流パルス又は短絡パルスはポンピング電流パルスより短いように設計されていることが有利である。このようにして、分極効果を低減した後に酸素が濃淡電池の基準室から逆に排出されることが回避される。
【００１６】
逆電流パルス又は短絡パルスの時間長さがポンピング電流パルスの時間長さのほぼ１／２０ないし１／１０の大きさであることが有利である。
【００１７】
更に、逆電流パルスの時間長さ及び電流強さは、逆電流パルスにより酸素含有量センサに与えられる電荷量が、ポンピング電流パルスにより酸素含有量センサに与えられる電荷量より明らかに小さいように与えられることは有利である。
【００１８】
本発明のその他の特徴及び利点が以下の説明並びに実施形態の図面による説明から明らかである。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図１に示されている測定ガス中の酸素含有量の測定装置の一実施形態は、それ自身既知のセンサＳＯ、例えばλセンサを含み、このλセンサは、測定ガスと結合している測定電極と、基準ガス容積（室）と結合している基準電極とを備えている。基準電極は、固定電解質を介して測定電極と結合されている。基準ガス容積は、測定ガスから分離され、従って基準ガス容積と測定ガスとの間の粒子の交換は明らかに困難である。センサを介して測定可能なセンサ電圧ＵＳは、測定ガスの酸素含有量に対する尺度である。このようなセンサは、例えば国際特許出願第９５／２４６４３号に詳細に記載され、その全文が本明細書において参照される。
【００２０】
更に図１から明らかなように、センサ電圧ＵＳは、切換手段、例えばスイッチＳ３を介して測定されてもよい。更に、スイッチＳ３の下流側に抵抗Ｒ２及びコンデンサＣから構成されるＲＣフィルタ、図示の場合においては低域通過フィルタが設けられていてもよい。測定過程の間はスイッチＳ３が閉じられ、従ってセンサＳＯを介して降下するセンサ電圧ＵＳを測定することができる。基準ガス容積内に十分に高い酸素分圧が確実に形成されるように、更に他の切換手段、例えばスイッチＳ１が設けられ、このスイッチＳ１を介してセンサにポンピング基準電流を供給可能である。図１に示すように、スイッチＳ１を閉じた状態においては抵抗Ｒ１を介して電流が流れ、この電流は測定センサＳＯ内に流入する。この場合、電流は後に更に詳細に説明するように周期的に且つパルス状に供給される。
【００２１】
更に逆向きの電流源Ｇが設けられ、この逆向きの電流源Ｇは、切換手段、例えばスイッチＳ２を介してセンサに並列に挿入可能である。この逆向きの電流源Ｇの代わりに短絡ラインＫが設けられていてもよく、この短絡ラインＫは同様にスイッチＳ２を介してセンサＳＯに並列に挿入可能である。スイッチＳ２は、スイッチＳ１が開いた直後に操作される。このようにして、センサＳＯにポンピング電流パルスが供給された直後に逆電流パルスないし短絡パルスが測定電極とセンサ電極との間に確実に加えられる。この逆電流パルスないし短絡パルスにより、ポンピング電流パルスに基づいて形成される分極効果の低減が達成される。
【００２２】
測定ガス中の酸素含有量の測定方法を以下に図１により及び特に図２により詳細に説明する。
【００２３】
図２に、図１に示したスイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３、並びにセンサＳＯを介して測定可能なセンサ電圧ＵＳＯの制御シーケンスが時間ｔに関して略図で示されている。
【００２４】
この場合、図を見やすくするためにポンピング電流パルス、逆電流パルスのみに対するスイッチ状態、並びにこれらから得られるセンサ電圧信号線図のそれぞれのみが示されている。これらのスイッチ状態及びセンサ電圧信号線図が周期的に反復されることは明らかである。
【００２５】
図２に示すように、スイッチＳ１を閉じることによりセンサＳＯにポンピング電流パルスが加えられるが、センサＳＯにポンピング電流パルスが加えられた直後にスイッチＳ２を閉じることにより、センサＳＯに逆電流パルスないし短絡パルスが加えられる。
【００２６】
この逆電流パルスないし短絡パルスによりセンサＳＯの減極が達成される。逆電流パルスないし短絡パルスはポンピング電流パルスより短い。逆電流パルスの電流強さは同様に設定可能である。逆電流パルスの時間積分は、センサＳＯのできるだけ最適な減極が形成されるように決定される。逆電流パルスは特に、ポンピング電流パルスにより形成されるポンピング過程を妨害する分極が発生しないように選択される。むしろ減極のみが行われるべきである。ポンピング電流パルスの時間積分は、本質的に、図２においてハッチングと符号Ａで示した分極効果により形成されたセンサ電圧ＵＳの時間積分に対応している。逆電流パルス又は短絡パルスの時間長さはポンピング電流パルスの時間長さのほぼ１／２０ないし１／１０に対応していることがわかった。
【００２７】
逆電流パルスの時間長さ及び電流強さは、逆電流パルスにより酸素含有量センサに与えられる電荷量ＱＧＥＧが、ポンピング電流パルスにより酸素含有量センサに与えられる電荷量ＱＰＵＭＰより小さいように選択される。即ち、
ＱＧＥＧ ＜＜ ＱＰＵＭＰ
【００２８】
スイッチＳ３の切換状態はいわゆる遮断時間を示し、即ちこの時間内ではセンサ電圧信号が測定されない。図２から明らかなように、スイッチＳ３の遮断時間長さは、センサ電圧の誤った値が発生しないように、即ちポンピング電流パルスにより並びに逆電流パルスないし短絡パルスにより形成されるセンサ電圧のシフト量が本来のセンサ電圧信号に重ねられないように決定される。
【００２９】
上記の装置及び方法は通常のスイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３に基づいて説明してきた。本発明は決してこのようなスイッチに限定されないで、これらのスイッチはそれぞれのタイプ及び方式で形成可能であることは明らかである。特にトランジスタ又はその他の半導体素子の形の電子式スイッチを上記の装置に使用することもまた考えられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】濃淡電池による測定ガス中の酸素含有量の測定装置の２つの実施形態の略回路図である。
【図２】図１に示したスイッチの制御シーケンス並びにこれから得られるセンサ電圧の略時間線図である。
【符号の説明】
Ｃ  コンデンサ
Ｇ  逆向きの電流源
Ｋ  短絡ライン
Ｒ１、Ｒ２  抵抗
ＳＯ  センサ
Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３  スイッチ
【図１】
0004260957.tif 000002
【図２】
0004260957.tif 000003