DE69730810T2

DE69730810T2 - Gas Sensor

Info

Publication number: DE69730810T2
Application number: DE69730810T
Authority: DE
Inventors: Nobuhide Ama-gun Kato; Yasuhiko Midori-ku Hamada
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1996-12-20
Filing date: 1997-12-10
Publication date: 2005-11-17
Anticipated expiration: 2017-12-11
Also published as: EP0849590A2; EP0849590B1; JP3664558B2; JPH10185866A; DE69730810D1; EP0849590A3; US5976335A

Description

Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung
sDie vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Gassensor zum Messen von Oxiden wie NO, NO₂, SO₂, CO₂ und H₂O, die z. B. in der Atmosphärenluft oder in von einem Fahrzeug oder Automobil abgegebenen Abgasen enthalten sind, sowie von entflammbaren Gasen wie CO und CnHm.
Stand der Technik
In den letzten Jahren enthielt Abgas, das von Kraftfahrzeugen oder Automobilen wie benzin- oder dieselbetriebenen Automobilen abgegeben wird, Stickoxide (NO_x) wie Stickstoffmonoxid (NO) und Stickstoffdioxid (NO₂), Kohlenmonoxid (CO), Kohlendioxid (CO₂), Wasser (H₂O), Kohlenwasserstoff (HC), Wasserstoff (H₂), Sauerstoff (O₂) usw. In einem solchen Abgas sind etwa 80% des gesamten NO_x von NO und etwa 95% des gesamten NO_x von NO und NO₂ besetzt.
Der Dreiweg-Katalysator, der zur Reinigung von im Abgas enthaltenem HC, CO und NO_x verwendet wird, zeigt seine maximale Reinigungseffizienz in der Nähe des theoretischen Luft-Treibstoff-Verhältnisses (A/F = 14,6). Wird A/F so eingestellt, dass es weniger als 16 beträgt, so sinkt die Menge an erzeugtem NO_x. Die Reinigungseffizienz des Katalysators wird aber verringert, und demnach steigt die Menge an abgegebenem NO_x wahrscheinlich an.
In der letzten Zeit gab es auf dem Markt, um fossile Brennstoffe wirksam zu verwenden und die globale Erwärmung zu verhindern, eine steigende Nachfrage danach, die Abgabemenge an CO₂ zu drücken. Um einer solchen Forderung zu entsprechen, wurde es immer notwendiger, die Treibstoffeffizienz zu erhöhen. Als Reaktion darauf wurden Untersuchungen z. B. zum Thema von abgasarmen Verbrennungsmotoren und von Katalysatoren zum Reinigen von NO_x angestellt. Insbesondere der Bedarf an NO_x Sensoren stieg.
Ein herkömmlicher NO_x-Analysator war bis dato als Instrument zur Detektion von NO_x bekannt. Der herkömmliche NO_x-Analysator wird betrieben, um eine dem NO_x eigene Charakteristik basierend auf der Verwendung der chemischen Lumineszenzanalyse zu messen. Der herkömmliche NO_x-Analysator ist aber insofern unpraktisch, als das Instrument selbst extrem groß und teuer ist.
Der herkömmliche NO_x-Analysator erfordert eine häufige Wartung, da optische Teile zur Detektion von NO_x verwendet werden. Weiters sollte, wenn der herkömmliche NO_x-Analysator verwendet wird, ein Vorgang der Probenentnahme durchgeführt werden, um NO_x zu messen, wobei es nicht möglich ist, ein Detektionselement selbst direkt in ein Fluid einzusetzen. Somit ist der herkömmliche NO_x-Analysator zur Analyse von Übergangsphänomenen, wie sie im von einem Automobil abgegebenen Abgas auftreten, in welchem sich die Bedingungen häufig ändern, nicht geeignet.
Um die oben beschriebenen Unzulänglichkeiten zu lösen, wurde ein Sensor zum Messen einer erwünschten Gaskomponente in einem Abgas mittels eines Substrats vorgeschlagen, das aus einem Sauerstoffionen leitenden Festelektrolyt besteht.
Der vorgeschlagene herkömmliche Gassensor wird durch einen alle Bereiche abdeckenden Sauerstoffsensor beispielhaft veranschaulicht, wie er in 7 dargestellt ist. Es ist auch ein anderer Typ eines Gassensors zum Messen von Gas (z. B. NO_x) mit gebundenem Sauerstoff bekannt, in welchem die Sauerstoffkonzentration im Gas auf einen gewissen niedrigen Wert unter Verwendung einer Sauerstoffpumpe gesenkt wird, und in welchem daraufhin die Sauerstoffkonzentration weiter gesenkt wird, um NO_x zu zersetzen, so dass der während der Zersetzung erzeugte Sauerstoff unter Verwendung einer Sauerstoffpumpe gemessen wird, um das NO_x zu messen.
So ist z. B. der in 7 dargestellte Gassensor erklärt. Der Gassensor umfasst einen Innenraum 2 zum Einbringen eines Messgases aus einem Außenraum, einen Raum (Referenzgas-Einbringungsraum) 4 zum Einbringen eines Referenzgases, z. B. Atmosphärenluft, das als Referenz für die Messung von Oxiden verwendet wird, sowie eine Sauerstoffpumpe 6, um einen konstanten Sauerstoffpartialdruck im Innenraum 2 zu halten.
Die Sauerstoffpumpe 6 umfasst eine innere Pumpelektrode 8, die an der Seite des Innenraums 2 vorgesehen ist, eine äußere Pumpelektrode 10, die an der Seite des Außenraums vorgesehen ist, sowie eine Sauerstoffionen leitende Festelektrolytschicht 12, die zwischen den beiden Elektroden 8 und 10 vorhanden ist. Eine Referenzelektrode 14 ist im Referenzgas-Einbringungsraum 4 bereitgestellt.
Der Gassensor führt eine rückgekoppelte Steuerung für eine Steuerungsspannung Vp0 durch, die an die Sauerstoffpumpe 6 angelegt wird, um somit eine konstante Spannung der elektromotorischen Kraft (Detektionsspannung V0), die zwischen der inneren Pumpelektrode 8 und der Referenzelektrode 14 erzeugt wird, zu halten.
Ändert sich die Temperatur des Abgases wie bei Automobilen sehr stark, so ist der Gassensor mit einem Heizelement 16 gemeinsam mit einem Mechanismus versehen, um die elektrische Energie, die zum Heizelement 16 zugeführt wird, zu steuern.
Im herkömmlichen, in 7 dargestellten Gassensor ist die innere Pumpelektrode 8 der Sauerstoffpumpe 6 mit einem Zuleitungsdraht (GND) versehen, der auf der negativen Seite des Heizelements 16 angeordnet ist, um einen Kurzschluss herzustellen (siehe z. B. Japanische Patentoffenlegungsschriften Nr. 3-167467 und 61-24355), um dadurch ein Schwingen des rückgekoppelten Steuerungssystems 8 in Bezug auf die Sauerstoffpumpe 6 zu verhindern.
Ist die Verdrahtung wie oben beschrieben angeordnet, so wird der Sauerstoff aufgrund eines Kriechstroms (Heizelement-Kriechstrom) aus dem Zuleitungsdraht des Heizelements 16 von der inneren Pumpelektrode 8 zum Heizelement 16 hin bewegt.
D. h., dass in dem Fall des herkömmlichen Gassensors zu befürchten ist, dass die Sauerstoffkonzentration im Innenraum 2 durch den Kriechstrom aus dem Heizelement beeinflusst wird, und dass die Sauerstoffpumpe 6 die Sauerstoffkonzentration im Innenraum 2 nicht genau und präzise steuern kann.
Ist der Strom, der durch das Heizelement 16 fließt, groß, so kann die elektromotorische Kraft, die durch den Widerstand des Zuleitungsdrahts des Heizelements 16 erzeugt wird, nicht vernachlässigt werden. Unter der Annahme, dass z. B. ein Zuleitungsdraht mit einer Länge von 3 m einen Widerstandswert von 0,1 Ω aufweist, wenn ein Heizelementstrom von 1 A durch den Zuleitungsdraht fließen gelassen wird, so wird eine elektromotorische Kraft (Spannung) des "Widerstandswerts des Zuleitungsdrahts × Heizelementstrom = 100 mV" im Zuleitungsdraht erzeugt.
Somit wird die elektromotorische Kraft auf die Detektionsspannung V0 im rückgekoppelten Steuerungssystem 18 überlagert, wodurch sich das Problem ergibt, dass es unmöglich ist, die Steuerungsspannung Vp0, die an die Sauerstoffpumpe 6 angelegt wird, genau zu steuern.
Wie zuvor beschrieben, befürchtet man im Fall des herkömmlichen Gassensors, dass die Sauerstoffkonzentration im Innenraum 2 nicht genau gesteuert werden kann, weil die Detektionsspannung V0 durch die Länge des Zuleitungsdrahts und den Heizelementstrom (Heizelement-Ausgang) im rückgekoppelten Steuerungssystem 18 für die Sauerstoffpumpe 6 beeinflusst wird.
EP-A-400627 zeigt einen ähnlichen Gassensor wie jenen der 7, worin das Heizelement elektrisch von den elektrochemischen Zellen isoliert wird.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung wurde unter Berücksichtigung der zuvor erwähnten Probleme ausgeführt, wobei ein Ziel dieser darin besteht, einen Gassensor bereitzustellen, der ein rückgekoppeltes Steuerungssystem zum konstanten Steuern der Konzentration einer vorbestimmten Gaskomponente, die in einem Messgas enthalten ist, mithilfe des Pumpvorgangs umfasst, wobei der durch das rückgekoppelte Steuerungssystem durchgeführte Pumpvorgang nicht durch den Heizelement-Kriechstrom, die Länge des Heizelement-Zuleitungsdrahts und den Heizelementstrom (Heizelement-Ausgang) beeinflusst wird, wodurch es möglich wird, die Konzentration der vorbestimmten Gaskomponente genau zu steuern.
Die vorliegende Erfindung stellt einen Gassensor bereit, wie er in Anspruch 1 dargelegt ist.
Im Sensor der vorliegenden Erfindung wird die im Messgas, das vom Außenraum eingebracht wird, enthaltene vorbestimmte Gaskomponente (Sauerstoff) zuerst einer Pumpverarbeitung durch das Hauptpumpmittel unterzogen. Während dieser Verarbeitung wird die vorbestimmte Gaskomponente so eingestellt, dass sie als. Ergebnis der durch das rückgekoppelte Steuerungssystem für die Steuerungsspannung durchgeführten Einstellung eine vorbestimmte Konzentration aufweist. Insbesondere wird die Steuerungsspannung durch das rückgekoppelte Steuerungssystem so eingestellt, dass sie den vorbestimmten Spannungswert zwischen der inneren Pumpelektrode des Hauptpumpmittels und der am Referenzgas-Einbringungsabschnitt angeordneten Referenzelektrode erreicht. Somit wird die Konzentration der vorbestimmten Gaskomponente so eingestellt, dass die Konzentration einem vorbestimmten Wert entspricht.
Ändert sich die Pumpmenge der durch das Hauptpumpmittel verarbeiteten vorbestimmten Gaskomponente und ändert sich die Konzentration der vorbestimmten Gaskomponente im Messgas, so ändert sich auch die Klemmenspannung zwischen der inneren Elektrode und der Referenzelektrode ohne jegliche zeitliche Verzögerung. Demgemäß tritt in der rückgekoppelten Steuerung kein Schwingungsphänomen auf.
Der Pumpvorgang wird durchgeführt, während das Hauptpumpmittel durch das Heizelement auf die vorbestimmte Temperatur erwärmt wird. Somit wird die Konzentration der vorbestimmten Gaskomponente, die im Messgas enthalten ist, mit hoher Genauigkeit eingestellt.
Insbesondere im Gassensor gemäß der vorliegenden Erfindung ist die äußere Pumpelektrode des Hauptpumpmittels mit dem erdseitigen Zuleitungsdraht des Heizelements verbunden. Demgemäß wird Sauerstoff nicht von der inneren Pumpelektrode zum Heizelement hin bewegt.
In der vorliegenden Erfindung ist die Spannung zwischen der inneren Pumpelektrode und der Referenzelektrode eine Spannung, die der Konzentration der vorbestimmten Gaskomponente während der Pumpverarbeitung durch das Hauptpumpmittel, d. h. der Detektionsspannung, entspricht. Darüber hinaus ist die innere Pumpelektrode nicht mit dem Heizelement-Zuleitungsdraht verbunden. Somit tritt kein Phänomen auf, in welchem die elektromotorische Kraft (Spannung), die mit dem Widerstand des Zuleitungsdrahts und dem Heizelementstrom assoziiert ist, auf die Detektionsspannung überlagert wird.
Wie zuvor ausgeführt, wird im Gassensor gemäß der vorliegenden Erfindung das rückgekoppelte Steuerungssystem, welches die Konzentration der vorbestimmten Gaskomponente im Messgas durch den Pumpvorgang konstant steuert, so betrieben, dass der im rückgekoppelten Steuerungssystem ausgeführte Steuerungsvorgang durch den Heizelement-Kriechstrom, die Länge des Heizelement-Zuleitungsdrahts und den Heizelementstrom (Heizelement-Ausgang) nicht beeinflusst wird. Somit ist es möglich, die Konzentration der vorbestimmten Gaskomponente genau zu steuern.
Vorzugsweise kann der wie zuvor konstruierte Gassensor weiters eine Messpumpzelle umfassen, wie sie in Anspruch 2 dargelegt ist.
In diesem Fall wird das Messgas, das durch das Hauptpumpmittel auf die Sauerstoffkonzentration eingestellt wurde, im nächsten Schritt zur Messpumpzelle eingebracht. Die Messpumpzelle pumpverarbeitet den im Messgas enthaltenen Sauerstoff auf der Grundlage der zwischen der Detektionselektrode und der Referenzelektrode angelegten Spannung. Der Pumpstrom, der in der Messpumpzelle abhängig von der Sauerstoffmenge, die durch die Messpumpzelle pumpverarbeitet wird, erzeugt wird, wird durch das Stromdetektionsmittel detektiert. Die Menge der spezifizierten Komponente im Messgas wird auf der Grundlage des detektierten Werts bestimmt.
Alternativ dazu weist der Gassensor eine Konzentrations-Detektionszelle auf, wie sie in Anspruch 3 dargelegt ist.
In diesem Fall wird das Messgas, das durch das Hauptpumpmittel auf die Sauerstoffkonzentration eingestellt wurde, im nächsten Schritt der Konzentrations-Detektionszelle zugeführt. Diese Zelle erzeugt eine elektromotorische Kraft, die der Differenz zwischen der im Messgas nach der Pumpverarbeitung durch das Hauptpumpmittel enthaltenen Sauerstoffmenge und der im Referenzgas an der Referenzelektrode enthaltenen Sauerstoffmenge entspricht.
Die elektromotorische Kraft wird durch das stromab angeordnete Spannungsdetektionsmittel detektiert. Die Sauerstoffmenge im Messgas wird auf Grundlage des detektierten Werts bestimmt.
Vorzugsweise kann der wie zuvor konstruierte Gassensor weiters ein rückgekoppeltes Hilfs-Steuerungssystem umfassen, das dazu dient, die Konzentration des im Messgas enthaltenen Sauerstoffs so einzustellen, dass sie während der Pumpverarbeitung durch das Hauptpumpmittel konstant bleibt. Dieses rückgekoppelte Steuerungssystem wird z. B. durch eine Anordnung umgesetzt, die eine solche Einstellung ausführt, dass eine Spannung zwischen der Hilfs-Pumpelektrode, die in der unmittelbaren Nähe der Detektionselektrode ausgebildet ist, und der Referenzelektrode einen vorbestimmten Wert aufweist.
Demgemäß wird das Messgas, das einer Grobeinstellung für die vorbestimmte Sauerstoffkonzentration durch das Hauptpumpmittel unterzogen wurde, weiters einer Feineinstellung für die Sauerstoffkonzentration durch das Hilfspumpmittel unterzogen. Während der Zeitspanne, in welcher der vorherige Vorgang durchgeführt wird, wenn sich die Sauerstoffkonzentration im Messgas im Außenraum stark ändert (z. B. ändert sich die Sauerstoffkonzentration von 0 auf 20%), ändert sich die Konzentrationsverteilung des Sauerstoffs im Messgas, das in das Hauptpumpmittel eingebracht wird, stark, und die Menge an Sauerstoff, die in das Messpumpmittel oder das Konzentrations-Detektionsmittel eingebracht wird, ändert sich ebenfalls.
Die Sauerstoffkonzentration im Messgas nach der Pumpverarbeitung durch das Hauptpumpmittel wird durch die Pumpverarbeitung, die das Hilfspumpmittel durchführt, fein eingestellt. Aufgrund der Pumpverarbeitung durch das Hauptpumpmittel wird die Änderung der Sauerstoffkonzentration im Messgas, das in das Hilfspumpmittel eingebracht wird, im Vergleich zur Änderung der Sauerstoffkonzentration im Messgas, das vom Außenraum eingebracht wird (Messgas, das in das Hauptpumpmittel eingebracht wird) sehr stark reduziert. Demgemäß ist es möglich, die Sauerstoffkonzentration in der unmittelbaren Umgebung der Detektionselektrode des Messpumpmittels oder in der unmittelbaren Nähe der Detektionselektrode des Konzentrations-Detektionsmittels genau und konstant zu steuern.
Somit wird die Konzentration des Sauerstoffs, der in die Messpumpzelle oder die Konzentrations-Detektionszelle eingebracht wird, kaum durch die Änderung der Sauerstoffkonzentration im Messgas (Messgas, das in das Hauptpumpmittel eingebracht wird) beeinflusst. Daraus ergibt sich, dass der Pumpstromwert, der durch die Stromdetektionszelle dektiert wird, oder die elektromotorische Kraft, die durch die Spannungsdetektionszelle detektiert wird, nicht durch die Änderung der Sauerstoffkonzentration im Messgas, die einen der Menge der im Messgas vorhandenen Zielkomponente entsprechenden Wert aufweist, beeinflusst wird.
Das Messpumpmittel kann die Detektionselektrode umfassen, die an der Innenseite einer zweiten von Festelektrolyten umgebenen Kammer ausgebildet ist, um das Messgas nach der Pumpverarbeitung durch das Hauptpumpmittel darin einzubringen, wobei die in einer Referenzgas-Einbringungskammer ausgebildete Referenzelektrode von Festelektrolyten umgeben ist, um ein Referenzgas darin einzubringen, und wobei das Substrat zwischen der Detektionselektrode und der Referenzelektrode angeordnet ist.
Das Konzentrations-Detektionsmittel kann die an der Innenseite einer zweiten Kammer, die von Festelektrolyten umgeben ist, ausgebildete Detektionselektrode umfassen, um das Messgas nach der Pumpverarbeitung durch das Hauptpumpmittel darin einzubringen, die in einer von Festelektrolyten umgebenen Referenzgas-Einbringungskammer ausgebildeten Referenzelektrode ausgebildet ist, um ein. Referenzgas darin einzubringen, sowie das zwischen der Detektionselektrode und der Referenzelektrode angeordnete Substrat.
Vorzugsweise kann der wie oben konstruierte Gassensor einen ersten Diffusionsgeschwindigkeits-Bestimmungsabschnitt umfassen, der an einem Durchgang vorgesehen ist, um das Messgas vom Außenraum in die erste Kammer einzubringen, um somit dem Messgas einen vorbestimmten Diffusionswiderstand zu verleihen, sowie weiters einen zweiten Diffusionsgeschwindigkeits-Bestimmungsabschnitt, der an einem Durchgang vorgesehen ist, um das Messgas nach der Pumpverarbeitung durch das Hauptpumpmittel in die zweite Kammer einzubringen, um somit dem Messgas einen vorbestimmten Diffusionswiderstand zu verleihen.
Vorzugsweise kann der Gassensor weiters einen dritten Diffusionsgeschwindigkeits-Bestimmungsabschnitt umfassen, der an einem Durchgang vorgesehen ist, der dazu dient, das Messgas in die Detektionselektrode in der zweiten Kammer eintreten zu lassen, um auf diese Weise dem Messgas einen vorbestimmten Diffusionswiderstand zu verleihen.
Die obigen und andere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen besser verständlich, worin eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung durch illustrative Beispiele veranschaulicht ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Anordnung eines Gassensors gemäß einer ersten Ausführungsform.
2 zeigt charakteristische Kurven, welche die Abhängigkeit der Differenz des Pumpstroms vom Heizelement-Ausgang in Bezug auf Beispiel und Vergleichsbeispiel in einem ersten der Veranschaulichung dienenden Versuch zeigen, um den Einfluss von Heizelement-Kriechstrom auf den Pumpstrom zu untersuchen.
3 zeigt charakteristische Kurven, welche die Abhängigkeit des Pumpstroms von der Detektionsspannung in Bezug auf Beispiel und Vergleichsbeispiel in einem zweiten der Veranschaulichung dienenden Versuch zeigen, um den Einfluss des Heizelement-Kriechstroms auf den Pumpstrom zu untersuchen.
4 zeigt charakteristische Kurven, welche die Abhängigkeit der Detektionsspannung von der Zuleitungsdrahtlänge (Zuleitungsdrahtwiderstand) in Bezug auf Beispiel und Vergleichsbeispiel in einem dritten der Veranschaulichung dienenden Versuch zeigen, um den Einfluss der durch die Zuleitungsdrahtlänge (Zuleitungsdrahtwiderstand) ausgeübten Detektionsspannung zu untersuchen.
5 zeigt eine Anordnung eines Gassensors gemäß einer zweiten Ausführungsform.
6 zeigt eine charakteristische Kurve, die eine Ausgangscharakteristik des Gassensors gemäß der zweiten Ausführungsform darstellt.
7 zeigt eine Anordnung eines Gassensors in Bezug auf die dargestellte herkömmliche Technik.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Im Anschluss folgt eine Erklärung in Bezug auf die 1 bis 6 für einige veranschaulichende Ausführungsformen, in welchen der Gassensor gemäß der vorliegenden Erfindung auf Gassensoren zum Messen von Oxiden wie NO, NO₂, SO₂, CO₂ und H₂O, die z. B. in Atmosphärenluft und von Kraftfahrzeugen oder Automobilen abgegebenem Abgas sowie in entflammbaren Gasen wie CO und CnHm enthalten sind, angewendet wird.
Zunächst umfasst, wie dies in 1 dargestellt ist, ein Gassensor gemäß der ersten Ausführungsform z. B. sechs aufeinandergestapelte Festelektrolytschichten 50a bis 50f, die aus Keramikmaterialien auf der Grundlage von Sauerstoffionen leitenden Festelektrolyten wie ZrO₂ bestehen. Die erste und zweite Schicht vom Boden aus werden als erste und zweite Substratschicht 50a bzw. 50b bezeichnet. Die dritte und die fünfte Schicht vom Boden aus werden als erste und zweite Abstandsschicht 50c bzw. 50e bezeichnet. Die vierte und die sechste Schicht vom Boden aus werden als erste und zweite Festelektrolytschicht 50d bzw. 50f bezeichnet.
Spezifisch wird die erste Abstandsschicht 50c auf die zweite Substratschicht 50b geschichtet. Die erste Festelektrolytschicht 50d, die zweite Abstandsschicht 50e und die zweite Festelektrolytschicht 50f werden nacheinander auf die erste Abstandsschicht 50c geschichtet.
Ein Zwischenraum (Referenzgas-Einbringungsraum) 52, in welchen ein Referenzgas wie Atmosphärenluft, das als Referenz für die Messung von Oxiden verwendet wird, eingebracht wird, ist zwischen der zweiten Substratschicht 50b und der ersten Festelektrolytschicht 50d ausgebildet, wobei der Zwischenraum 52 durch eine Unterseite der ersten Festelektrolytschicht 50d, eine Oberseite der zweiten Substratschicht 50b und Seitenflächen der ersten Abstandsschicht 50c definiert ist.
Die zweite Abstandsschicht 50e ist zwischen der ersten und der zweiten Festelektrolytschicht 50d, 50f angeordnet. Der erste und der zweite Diffusionsgeschwindigkeits-Bestimmungsabschnitt 54, 56 sind ebenfalls zwischen der ersten und der zweiten Festelektrolytschicht 50d, 50f angeordnet.
Eine erste Kammer 58 zum Einstellen des Sauerstoffpartialdrucks in einem Messgas ist durch eine Unterseite der zweiten Festelektrolytschicht 50f, Seitenflächen des ersten und des zweiten Diffusionsgeschwindigkeits-Bestimmungsabschnitts 54, 56 sowie einer Oberseite der ersten Festelektrolytschicht 50d gebildet und definiert. Eine zweite Kammer 60 für die Feineinstellung des Sauerstoffpartialdrucks im Messgas und zum Messen von Oxiden wie Stickoxiden (NO_x) im Messgas ist durch eine Unterseite der zweiten Festelektrolytschicht 50f, eine Seitenfläche des zweiten Diffusionsgeschwindigkeits-Bestimmungsabschnitts 56, eine Seitenfläche der zweiten Abstandsschicht 50e sowie eine Oberseite der ersten Festelektrolytschicht 50d gebildet und definiert.
Der Außenraum kommuniziert mit der ersten Kammer 58 über den ersten Diffusionsgeschwindigkeits-Bestimmungsabschnitt 54, und die erste Kammer 58 kommuniziert mit der zweiten Kammer 60 über den zweiten Diffusionsgeschwindigkeits-Bestimmungsabschnitt 56.
Der erste und der zweite Diffusionsgeschwindigkeits-Bestimmungsabschnitt 54, 56 verleihen dem in die erste bzw. die zweite Kammer 58, 60 einzubringenden Messgas vorbestimmte Diffusionswiderstände. Jeder der ersten und zweiten Diffusionsgeschwindigkeits-Bestimmungsabschnitte 54, 56 kann als ein Durchgang ausgebildet werden, der z. B. aus einem porösen Material besteht, oder als ein kleines Loch, das über eine vorbestimmte Querschnittsfläche verfügt, so dass das Messgas eingebracht werden kann.
Insbesondere der zweite Diffusionsgeschwindigkeits-Bestimmungsabschnitt 56 ist so angeordnet und mit einem porösen Material befüllt, das z. B. aus ZrO₂ besteht. Der Diffusionswiderstand des zweiten Diffusionsgeschwindigkeits-Bestimmungsabschnitts 56 ist größer ausgeführt als der Diffusionswiderstand des ersten Diffusionsgeschwindigkeits-Bestimmungsabschnitts 54. Es ergibt sich aber kein Problem, wenn ersterer kleiner als letzterer ausgeführt ist.
Die Atmosphäre in der ersten Kammer 58 wird in die zweite Kammer 60 unter dem vorbestimmten Diffusionswiderstand über den zweiten Diffusionsgeschwindigkeits-Bestimmungsabschnitt 56 eingebracht.
Eine innere Pumpelektrode 62 mit einer im Wesentlichen rechteckigen ebenen Konfiguration, die sich aus einer porösen Cermet-Elektrode zusammensetzt, ist auf einem gesamten Unterseitenabschnitt ausgebildet, um so die erste Kammer 58 aus der Unterseite der zweiten Festelektrolytschicht 50f auszubilden. Eine äußere Pumpelektrode 64 ist auf einem Abschnitt der Oberseite der zweiten Festelektrolytschicht 50f ausgebildet, welcher der inneren Pumpelektrode 62 entspricht. Eine elektrochemische Pumpzelle, d. h. eine Hauptpumpzelle 66, wird durch die innere Pumpelektrode 62, die äußere Pumpelektrode 64 und die zweite Festelektrolytschicht 50f, die zwischen den beiden Elektroden 62, 64 angeordnet ist, gebildet.
Eine erwünschte Steuerspannung (Pumpspannung) Vp0 wird zwischen der inneren Pumpelektrode 62 und der äußeren Pumpelektrode 64 der Hauptpumpzelle 66 mithilfe einer externen verfügbaren Energiequelle 68 angelegt, damit ein Pumpstrom Ip0 in eine positive Richtung oder in eine negative Richtung zwischen der äußeren Pumpelektrode 64 und der inneren Pumpelektrode 62 fließen kann. Somit kann der Sauerstoff in der Atmosphäre in der ersten Kammer 58 nach außen gepumpt werden, oder der Sauerstoff im Außenraum kann in die erste Kammer 58 gepumpt werden.
Eine Referenzelektrode 70 ist auf einem Abschnitt der Unterseite der ersten Festelektrolytschicht 50d ausgebildet, der gegenüber dem Referenzgas-Einbringungsraum 52 freigelegt ist. Eine elektrochemische Sensorzelle, d. h. eine Sauerstoffpartialdruck-Detektionszelle 72, wird durch die innere Pumpelektrode 62, die Referenzelektrode 70, die zweite Festelektrolytschicht 50f, die zweite Abstandsschicht 50e und die erste Festelektrolytschicht 50d gebildet.
Zwischen der inneren Pumpelektrode 62 und der Referenzelektrode 70 wird auf Grundlage einer Differenz der Sauerstoffkonzentration zwischen der Atmosphäre in der ersten Kammer 58 und dem Referenzgas (Atmosphärenluft) im Referenzgas-Einbringungsraum 52 eine elektromotorische Kraft erzeugt. Die Sauerstoffpartialdruck-Detektionszelle 72 ermöglicht es, den Sauerstoffpartialdruck in der Atmosphäre in der ersten Kammer 58 auf Grundlage der erzeugten elektromotorischen Kraft zu detektieren.
Der detektierte Wert des Sauerstoffpartialdrucks wird verwendet, um die variable Energiequelle 68 rückgekoppelt zu steuern. Insbesondere wird der Pumpvorgang durch die Hauptpumpzelle 66 mithilfe des rückgekoppelten Steuerungssystems 74. für die Hauptpumpe so gesteuert, dass der Sauerstoffpartialdruck in der Atmosphäre in der ersten Kammer 58 einen vorbestimmten Wert aufweist, der ausreichend niedrig ist, um den Sauerstoffpartialdruck in der zweiten Kammer 60 im nächsten Schritt zu steuern.
Das rückgekoppelte Steuerungssystem 74 umfasst einen Schaltkreis, der so konstruiert ist, dass eine rückgekoppelte Steuerung für die Spannung Vp0 zwischen der äußeren Pumpelektrode 64 und der inneren Pumpelektrode 62 so durchgeführt wird, dass die Differenz (Detektionsspannung V0) zwischen dem elektrischen Potential der inneren Pumpelektrode 62 und dem elektrischen Potential der Referenzelektrode 70 einen vorbestimmten Spannungswert aufweist. In dieser Ausführungsform wird die innere Pumpelektrode 62 einer Signalpegelerdung unterzogen (die sich von einer Bodenerdung GND unterscheidet). Das elektrische Potential der Signalpegelerdung wird z. B. durch einen Gleichspannungswandler erzeugt.
Somit pumpt die Hauptpumpzelle 66 Sauerstoff in einer Menge aus oder ein, die dem Pegel der Pumpspannung Vp0 des in die erste Kammer 58 eingebrachten Messgases entspricht. Die Sauerstoffkonzentration in der ersten Kammer 58 wird einer rückgekoppelten Steuerung unterzogen, um einen vorbestimmten Wert zu ergeben, indem die oben beschriebene Reihe von Vorgängen wiederholt wird.
Die poröse Cermet-Elektrode zur Konstruktion der inneren Pumpelektrode 62 und der äußeren Pumpelektrode 64 besteht aus einem Metall wie Pt und einem Keramikmaterial wie ZrO₂. Es ist aber erforderlich, für die innere Pumpelektrode 62, die in der ersten Kammer 58 angeordnet ist und das Messgas kontaktiert, ein Material mit einer schwachen Reduktionsfähigkeit oder keiner Reduktionsfähigkeit in Bezug auf die NO-Komponente im Messgas zu verwenden. Es wird bevorzugt, dass die innere Pumpelektrode 62 z. B. aus einer Verbindung mit Perovskit-Struktur wie La₃CuO₄ besteht, einem Cermet, das ein Keramikmetall und ein Metall wie Au mit einer geringen katalytischen Wirkung umfasst, oder einem Cermet, das ein Keramikmaterial, ein Metall der Pt-Gruppe und ein Metall wie Au mit einer geringen katalytischen Wirkung umfasst. Wird eine Legierung, die aus Au und einem Metall der Pt-Gruppe besteht, als Elektrodenmaterial verwendet, so wird Au vorzugsweise in einer Menge von 0,03 bis 35 Vol-% der gesamten Metallkomponente zugegeben.
Andererseits ist eine Hilfs-Pumpelektrode 76 mit einer im Wesentlichen rechteckigen ebenen Konfiguration und bestehend aus einer porösen Cermet-Elektrode auf dem gesamten Unterseitenabschnitt ausgebildet, um somit die zweite Kammer 60 der Unterseite der zweiten Festelektrolytschicht 50f auszubilden. Eine elektrochemische Hilfs-Pumpzelle, d. h. eine Hilfs-Pumpzelle 78, wird durch die äußere Pumpelektrode 64 der Hauptpumpzelle 66, die Hilfs-Pumpelektrode 76 sowie die zweite Festelektrolytschicht 50f gebildet.
Eine erwünschte Hilfs-Steuerungsspannung Vp1 wird zwischen der äußeren Pumpelektrode 64 und der Hilfs-Pumpelektrode 76 der Hilfspumpzelle 78 mithilfe einer externen variablen Hilfs-Energiequelle 80 angelegt. Somit wird der Sauerstoff in der Atmosphäre in der zweiten Kammer 60 in den Außenraum gepumpt, oder der Sauerstoff im Außenraum wird in die zweite Kammer 60 gepumpt.
Eine elektrochemische Sensorzelle, d. h. eine Hilfs-Sauerstoffpartialdruck-Detektionszelle 82 wird durch die Hilfs-Pumpelektrode 76, die Referenzelektrode 70, die zweite Festelektrolytschicht 50f, die zweite Abstandsschicht 50e sowie die erste Festelektrolytschicht 50d gebildet. Eine elektromotorische Kraft wird zwischen der Hilfs-Pumpelektrode 76 und der Referenzelektrode 70 auf der Grundlage einer Differenz in der Sauerstoffkonzentration zwischen der Atmosphäre in der zweiten Kammer 60 und dem Referenzgas (Atmosphärenluft) im Referenzgas-Einbringungsraum 52 erzeugt. Die Hilfs-Sauerstoffpartialdruck-Detektionszelle 82 ermöglicht es, den Sauerstoffpartialdruck in der Atmosphäre in der zweiten Kammer 60 auf der Grundlage der erzeugten elektromotorischen Kraft zu detektieren.
Der detektierte Wert des Sauerstoffpartialdrucks wird verwendet, um die variable Hilfs-Energiequelle 80 zu steuern. Insbesondere wird der Pumpvorgang durch die Hilfs-Pumpzelle 78 mithilfe des rückgekoppelten Steuerungssystems 84 so gesteuert, dass der Sauerstoffpartialdruck in der Atmosphäre in der zweiten Kammer 60 einen niedrigen Sauerstoffpartialdruck-Wert aufweist, der die Messung der Menge der Zielkomponente unter einer Bedingung, in welcher die Messgaskomponente (NO_x) im Wesentlichen reduziert oder zersetzt wird, im Wesentlichen nicht beeinflusst.
Das rückgekoppelte Hilfs-Steuerungssystem 84 umfasst einen Schaltkreis, der so konstruiert ist, dass er eine rückgekoppelte Steuerung für die Spannung Vp1 (Hilfs-Steuerungsspannung) zwischen der äußeren Pumpelektrode 64 und der Hilfs-Pumpelektrode 76 durchführt, so dass sich die Differenz (Hilfs-Detektionsspannung V1) zwischen dem elektrischen Potential der Hilfs-Pumpelektrode 72 und dem elektrischen Potential der Referenzelektrode 70 auf einem vorbestimmten Spannungspegel befindet.
Somit pumpt die Hilfs-Pumpzelle 78 Sauerstoff in einer Menge hinaus oder hinein, die dem Pegel der Hilfs-Steuerungsspannung Vp1 des in die zweite Kammer 60 eingebrachten Messgases entspricht. Die Sauerstoffkonzentration in der zweiten Kammer 60 wird einer rückgekoppelten Steuerung unterworfen, um durch das Wiederholen einer Reihe von zuvor beschriebenen Vorgängen einen vorbestimmten Wert zu ergeben.
In dieser Ausführungsform wird aufgrund des Betriebs der Hauptpumpzelle 66 in der ersten Kammer 58 die Änderung der Menge an in die zweiten Kammer 60 eingebrachtem Sauerstoff im Vergleich zur Änderung des Messgases in starkem Ausmaß verringert. Demgemäß wird der Sauerstoffpartialdruck in der zweiten Kammer genau gesteuert, so dass er konstant ist.
Eine Detektionselektrode 86 mit einer im Wesentlichen rechteckigen ebenen Konfiguration und bestehend aus einer porösen Cermet-Elektrode, ist an einem Abschnitt, der vom zweiten Diffusionsgeschwindigkeits-Bestimmungsabschnitt 56 getrennt ist, auf einem Oberseitenabschnitt ausgebildet, um die zweite Kammer 60 der Oberseite der ersten Festelektrolytschicht 50d zu bilden. Ein Aluminiumoxidfilm zur Bildung eines dritten Diffusionsgeschwindigkeits-Bestimmungsabschnitts 88 wird ausgebildet, so dass die Detektionselektrode 86 damit bedeckt ist. Eine elektrochemische Pumpzelle, d. h. eine Messpumpzelle 90, besteht aus der Detektionselektrode 86, der Referenzelektrode 70 und der ersten Festelektrolytschicht 50d.
Die Detektionselektrode 86 besteht aus einem porösen Cermet, das Zirkoniumoxid als Keramikmaterial und Rh als Metall, das zur Reduktion von NO_x fähig ist, als Messgaskomponenten umfasst. Demgemäß wirkt die Detektionselektrode 86 als NO_x reduzierender Katalysator zum Reduzieren des in der Atmosphäre in der zweiten Kammer 60 vorhandenen NO_x. Weiters kann der Sauerstoff in der Atmosphäre in der zweiten Kammer 60 zum Referenzgas-Einbringungsraum 52 hinausgepumpt werden, indem eine konstante Spannung Vp2 zwischen der Detektionselektrode 86 und der Referenzelektrode 70 mithilfe einer Gleichspannungsquelle 92 angelegt wird. Der Pumpstrom Ip2, der gemäß des Pumpvorgangs durch die Messpumpzelle 90 fließen kann, wird durch ein Amperemeter detektiert.
Die konstante Gleichspannungsquelle 92 kann eine Spannung in einer Größe, die einen Begrenzungsstrom erzeugt, für das Pumpen des während der Zersetzung in der Messpumpzelle 90 unter dem durch den dritten Diffusionsgeschwindigkeits-Bestimmungsabschnitt 88 beschränkten Einströmens von NO_x erzeugten Sauerstoffs ergeben.
Der Gassensor gemäß der ersten Ausführungsform umfasst weiters ein Heizelement 94, um gemäß der elektrischen Energieversorgung von außen Wärme zu erzeugen. Das Heizelement 94 ist vertikal zwischen der ersten und der zweiten Substratschicht 50a, 50b eingebettet. Das Heizelement 94 ist vorgesehen, um die Leitfähigkeit der Sauerstoffionen zu erhöhen. Eine Keramikschicht 96, die aus Aluminiumoxid oder dergleichen besteht, wird ausgebildet, um die Ober- und Unterseiten des Heizelements 94 zu bedecken, so dass das Heizelement 94 elektrisch von den Substratschichten 50a, 50b isoliert ist.
Wie in 1 dargestellt, ist das Heizelement 94 über den gesamten Abschnitt, der von der ersten Kammer 58 zur zweiten Kammer 60 reicht, angeordnet. Jede der ersten Kammer 58 und zweiten Kammer 60 wird auf eine vorbestimmte Temperatur gemäß der Steuerung durch eine Heizelement-Ausgangs-Steuerung 98, die mit dem Heizelement 94 verbunden ist, erhitzt. Gleichzeitig wird auch jede der Hauptpumpzelle 66, der Sauerstoffpartialdruck-Detektionszelle 72, der Hilfs-Pumpzelle 78 und der Messpumpzelle 90 auf eine vorbestimmte Temperatur erhitzt und auf dieser Temperatur gehalten. In dieser Ausführungsform ist ein Zuleitungsdraht auf der positiven Seite des Heizelements 94 mit einer Heizelement-Energiequelle 100 über die Heizelement-Ausgangs-Steuerung 98 verbunden, und ein Zuleitungsdraht auf der negativen Seite des Heizelements 94 wird der Bodenerdung GND unterworfen.
Der Gassensor gemäß der ersten Ausführungsform ist so konstruiert, dass die äußere Pumpelektrode 64 der Hauptpumpzelle 66 mit dem Zuleitungsdraht auf der negativen Seite des Heizelements 94 verbunden ist.
Als nächster Schritt wird nunmehr der Betrieb des Gassensors gemäß der ersten Ausführungsform erklärt. Zuerst wird das vordere Ende des Gassensors im Außenraum angeordnet. Demgemäß wird das Messgas in die erste Kammer 58 unter dem vorbestimmten Diffusionswiderstand über den ersten Diffusionsgeschwindigkeits-Bestimmungsabschnitt 54 eingebracht. Das Messgas, das in die erste Kammer 58 eingebracht wurde, wird dem Pumpvorgang für den Sauerstoff unterzogen, welcher dadurch ausgelöst wird, dass die vorbestimmte Pumpspannung Vp0 zwischen der äußeren Pumpelektrode 64 und der inneren. Pumpelektrode 62, welche die Hauptpumpzelle 66 ausmachen, angelegt wird. Der Sauerstoffpartialdruck wird so gesteuert, dass er einen vorbestimmten Wert, so z. B. 10^–7 atm, aufweist. Die Steuerung erfolgt durch das rückgekoppelte Steuerungssystem 74.
Der erste Diffusionsgeschwindigkeits-Bestimmungsabschnitt 54 dient dazu, die Menge an Diffusion und das Einströmen von Sauerstoff im Messgas in den Messraum (erste Kammer 58) zu begrenzen, wenn die Pumpspannung Vp0 an die Hauptpumpzelle 66 angelegt wird, so dass der Strom, der durch die Hauptpumpzelle 66 fließt, unterdrückt wird.
In der ersten Kammer 58 wird ein Sauerstoffpartialdruck eingestellt, in welchem NO_x in der Atmosphäre nicht durch die innere Pumpelektrode 62 in einer Umgebung, die durch das externe Messgas erhitzt wird und die durch das Heizelement 94 erhitzt wird, reduziert wird. So wird z. B. eine Bedingung des Sauerstoffpartialdrucks ausgebildet, in welcher die Reaktion NO → 1/2N₂ + 1/2O₂ aus den folgenden Gründen nicht stattfindet. D. h., wenn NO_x im Messgas (Atmosphäre) in der ersten Kammer 58 reduziert wird, ist es unmöglich, NO_x in der zweiten Kammer 60, die stromab gelegen angeordnet ist, genau zu messen. In diesem Zusammenhang ist es notwendig, eine Bedingung in der ersten Kammer 58 einzustellen, in welcher NO_x nicht durch die Komponente reduziert wird, die an der Reduktion von NO_x (in diesem Fall die Metallkomponente der inneren Pumpelektrode 62) teilnimmt. Insbesondere wird, wie dies zuvor beschrieben wurde, eine solche Bedingung erreicht, indem für die innere Pumpelektrode 62 ein Material mit einer geringen Fähigkeit der NO_x-Reduktion, so z. B. eine Au- und Pt-Legierung, verwendet.
Das Gas in der ersten Kammer 58 wird in die zweite Kammer 60 unter dem vorbestimmten Diffusionswiderstand über den zweiten Diffusionsgeschwindigkeits-Bestimmungsabschnitt 56 eingebracht. Das Gas, das in die zweite Kammer 60 eingebracht wurde, wird dem Pumpvorgang für den Sauerstoff unterzogen, welcher dadurch ausgelöst wird, dass die Hilfs-Steuerungsspannung Vp1 zwischen der äußeren Pumpelektrode 64 und der Hilfs-Pumpelektrode 76, welche die Hilfs-Pumpzelle 78 ausmachen, angelegt wird, um eine Feineinstellung vorzunehmen, so dass der Sauerstoffpartialdruck einen konstanten und niedrigen Wert aufweist.
Der zweite Diffusionsgeschwindigkeits-Bestimmungsabschnitt 56 dient dazu, die Menge an Diffusion und das Einströmen von Sauerstoff im Messgas in den Messraum (zweite Kammer 60) zu begrenzen, wenn die Steuerspannung Vp1 an die Hilfs-Pumpzelle 78 angelegt wird, so dass der Pumpstrom Ip1, der durch die Hilfs- Pumpzelle 78 fließt, auf dieselbe Weise unterdrückt wird, wie dies durch den ersten Diffusionsgeschwindigkeits-Bestimmungsabschnitt 54 durchgeführt wird.
In der zweiten Kammer 60 wird ebenfalls ein Zustand für den Sauerstoffpartialdruck eingestellt, in welchem das NO_x in der Atmosphäre nicht durch die Hilfs-Pumpelektrode 76 in einer Umgebung, die durch das externe Messgas erhitzt wird und die durch das Heizelement 94 erhitzt wird, auf dieselbe Weise wie in der ersten Kammer 58 reduziert wird. Demgemäß ist ebenfalls notwendig, für die Hilfs-Pumpelektrode 76 ein Material mit einer schwachen Reduktionsfähigkeit oder keiner Reduktionsfähigkeit in Bezug auf die NO-Komponente im Messgas ebenso wie bei der inneren Pumpelektrode 62 zu verwenden. Die Hilfs-Pumpelektrode 76 besteht vorzugsweise z. B. aus einer Verbindung mit Perovskit-Struktur wie La₃CuO₄, einem Cermet, das ein Keramikmetall und ein Metall wie Au mit einer geringen katalytischen Wirkung umfasst, oder einem Cermet, das ein Keramikmaterial, ein Metall der Pt-Gruppe und ein Metall wie Au mit einer geringen katalytischen Wirkung umfasst. Wird eine Legierung, die aus Au und einem Metall der Pt-Gruppe besteht, als Elektrodenmaterial verwendet, so wird Au vorzugsweise in einer Menge von 0,03 bis 35 Vol-% der gesamten Metallkomponente zugegeben.
Das Messgas, dessen Sauerstoffpartialdruck in der zweiten Kammer 60 wie zuvor beschrieben gesteuert wird, wird in die Detektionselektrode 86 unter dem vorbestimmten Diffusionswiderstand über den dritten Diffusionsgeschwindigkeits-Bestimmungsabschnitt 88 eingebracht.
Besteht die Absicht, den Sauerstoffpartialdruck in der Atmosphäre in der ersten Kammer 58 durch Betreiben der Hauptpumpzelle 66 auf einen niedrigen Sauerstoffpartialdruckwert zu bringen, der die Messung von NO_x nicht wesentlich beeinträchtigt, d. h. anders gesprochen, wenn die Pumpspannung Vp0 der variablen Energiequelle 68 mithilfe des rückgekoppelten Steuerungssystems so eingestellt ist, dass die durch die Sauerstoffpartialdruck-Detektionszelle 72 detektierte Spannung V0 konstant ist, wenn sich die Sauerstoffkonzentration im Messgas stark verändert, so z. B. in einem Bereich von 0 bis 20%, dann ändern sich die jeweiligen Sauerstoffpartialdrücke in der Atmosphäre in der zweiten Kammer 60 und in der Atmosphäre in der Nähe der Detektionselektrode 86 in gewöhnlichen Fällen nur sehr gering. Dieses Phänomen geht wahrscheinlich auf den folgenden Grund zurück. D. h., wenn die Sauerstoffkonzentration im Messgas ansteigt, so erfolgt die Verteilung der Sauerstoffkonzentration in die Breitenrichtung und die Dickenrichtung in der ersten Kammer 58. Die Verteilung der Sauerstoffkonzentration ändert sich abhängig von der Sauerstoffkonzentration im Messgas.
Im Fall des Gassensors gemäß der ersten Ausführungsform ist die Hilfs-Pumpzelle 78 für die zweite Kammer 60 aber so bereitgestellt, dass der Sauerstoffpartialdruck in seiner ihrer Atmosphäre stets einen niedrigen Sauerstoffpartialdruckwert aufweist. Demgemäß kann, selbst wenn der Sauerstoffpartialdruck in der Atmosphäre, die von der ersten Kammer 58 in die zweite Kammer 60 eingebracht wird, sich abhängig von der Sauerstoffkonzentration im Messgas ändert, der Sauerstoffpartialdruck in der Atmosphäre in der zweiten Kammer 60 aufgrund des Pumpvorgangs durch die Hilfs-Pumpzelle 78 dazu gebracht werden, stets einen konstant niedrigen Wert aufzuweisen. Daraus ergibt sich, dass der Sauerstoffpartialdruck so gesteuert wird, dass er einen niedrig Wert aufweist, bei welchem die Messung von NO_x im Wesentlichen nicht beeinträchtigt wird.
NO_x im Messgas, das in die Detektionselektrode 86 eingebracht wird, wird um die. Detektionselektrode 86 herum reduziert oder zersetzt. Somit wird z. B. eine Reaktion von NO → 1/2N₂ + 1/2O₂ zugelassen. In diesem Prozess wird eine vorbestimmte Spannung Vp2, so z. B. 430 mV (700°C) zwischen der Detektionselektrode 86 und der Referenzelektrode 70 angelegt, um die Messpumpzelle 90 in eine Richtung anzulegen, so dass der Sauerstoff von der zweiten Kammer 60 zum Referenzgas-Einbringungsraum 52 eingebracht wird.
Somit weist der Pumpstrom Ip2, der durch die Messpumpzelle 90 fließt, einen Wert auf, der proportional zu eine Summe der Sauerstoffkonzentration in der in die zweite Kammer 60 eingebrachten Atmosphäre ist, d. h. der Sauerstoffkonzentration in der zweiten Kammer 60 und der Sauerstoffkonzentration, die durch die Reduktion oder Zersetzung von NO_x durch die Detektionselektrode 86 erzeugt wird.
In dieser Ausführungsform wird die Sauerstoffkonzentration in der Atmosphäre in der zweiten Kammer 60 so durch die Hilfs-Pumpzelle 78 konstant gehalten. Demgemäß ist der Pumpstrom Ip2, der durch die Messpumpzelle 90 fließt, proportional zur NO_x-Konzentration. Die NO_x-Konzentration entspricht der Diffusionsmenge von NO_x, die durch den dritten Diffusionsgeschwindigkeits-Bestimmungsabschnitt 88 begrenzt ist. Somit ist es, selbst wenn sich die Sauerstoffkonzentration im Messgas stark ändert, möglich, die NO_x-Konzentration auf der Grundlage der Verwendung der Messpumpzelle mithilfe des Amperemeters genau zu messen.
Man nimmt z. B. an, dass der Sauerstoffpartialdruck in der Atmosphäre in der zweiten Kammer 60, der durch die Hilfs-Pumpzelle 78 gesteuert wird, 0,02 ppm beträgt, und dass die NO-Konzentration als NO_x-Komponente im Messgas 100 ppm beträgt. Der Pumpstrom Ip2 fließt in einer Menge, die einer Summe (= 50,02 ppm) aus einer Sauerstoffkonzentration von 50 ppm, die durch die Reduktion oder Zersetzung von NO erzeugt wird, und einer Sauerstoffkonzentration von 0,02 ppm in der Atmosphäre in der zweiten Kammer 60 entspricht. Somit stellt beinahe der gesamte Pumpstromwert, der durch den Betrieb der Messpumpzelle 90 erhalten wird, die Menge dar, die durch die Reduktion oder Zersetzung von NO erhalten wird. Demgemäß hängt das erhaltene Ergebnis nicht von der Sauerstoffkonzentration im Messgas ab.
Nunmehr sind drei veranschaulichende Versuche beschrieben. Die veranschaulichenden Versuche wurden durchgeführt, indem ein Beispiel mit einem Gassensor mit derselben Konstruktion wie der Gassensor gemäß der ersten Ausführungsform und ein Vergleichsbeispiel mit einem Gassensor mit einer ähnlichen Konstruktion wie der Gassensor gemäß der ersten Ausführungsform aber ohne, dass die innere Pumpelektrode 62 mit dem Zuleitungsdraht auf der negativen Seite des Heizelements 94 verbunden ist, vorbereitet werden.
Im ersten veranschaulichenden Versuch wurde der Einfluss des Kriechstroms aus dem Heizelement 94, der auf den durch die Hauptpumpzelle 66 fließenden Pumpstrom Ip0 einwirkt, in Bezug auf das Beispiel und das Vergleichsbeispiel untersucht. Der erste veranschaulichende Versuch wurde durchgeführt, indem die Sauerstoffkonzentration im Außenraum mit 5% eingestellt wurde.
2 zeigt Versuchsergebnisse, die im ersten veranschaulichenden Versuch erhalten wurden. Charakteristische in 3 dargestellte Kurven wurden erhalten, indem die im Beispiel und im Vergleichsbeispiel erhaltenen Ausgangsdaten ausgedrückt wurden, während der Heizelement-Ausgang (durch den Grad dargestellt) entlang der x-Achse und die Differenzmenge ΔIp0 (μA) im Pumpstrom Ip0 entlang der Ordinatenachse dargestellt wurden. In 2 stellen die gefüllten Dreiecke die im Beispiel erhaltenen Versuchsergebnisse dar, während die gefüllten Kreise die im Vergleichsbeispiel erhaltenen Versuchsergebnisse zeigen.
Entsprechend den Versuchsergebnissen beträgt im Fall des Vergleichsbeispiels, wenn der erhaltene Wert an einem Heizelement-Ausgang von 7,6 als Referenz verwendet wird, die Differenz an einem Heizelement-Ausgang von 8,4 etwa 5 μA. Die Differenzen an den Heizelementen-Ausgängen von 9,3 und 10,3 betragen 35 μA bzw. 105 μA. Somit steigt die Differenzmenge exponentiell mit der Zunahme des Heizelement-Ausgangs an. Entsprechend diesem Ergebnis ist zu verstehen, dass der Pumpstrom Ip0 sehr stark durch den Kriechstrom des Heizelements 94 im Vergleichsbeispiel beeinflusst wird.
Im Gegensatz dazu wird die Mengendifferenz ΔIp0 bei –5 μA (konstant) über einen Bereich der Heizelement-Ausgänge von 7,6 bis 10,3 gehalten. Demgemäß versteht sich, dass der Pumpstrom Ip0 kaum durch den Kriechstrom des Heizelements 94 beeinflusst wird.
Im nächsten Schritt wurde im zweiten veranschaulichenden Versuch der Einfluss des Kriechstroms vom Heizelement 94, der auf den durch die Hauptpumpzelle 66 fließenden Pumpstrom Ip0 einwirkt, in Bezug auf Beispiel und Vergleichsbeispiel auf dieselbe Weise wie im ersten veranschaulichenden Versuch untersucht. Der zweite veranschaulichende Versuch wurde durchgeführt, indem die Sauerstoffkonzentration im Außenraum konstant (in der Atmosphärenluft) eingestellt wurde.
3 zeigt Versuchsergebnisse, die im zweiten veranschaulichenden Versuch erhalten wurden. Charakteristische in 3 dargestellte Kurven wurden erhalten, indem die im Beispiel und im Vergleichsbeispiel erhaltenen Ausgangscharakteristiken ausgedrückt wurden, während die Detektionsspannung V0 entlang der Abszisse und der Pumpstrom Ip0 entlang der Ordinatenachse dargestellt wurden. In 3 stellen die gefüllten Dreiecke die im Beispiel erhaltenen Ausgangscharakteristiken dar, während die gefüllten Kreise die im Vergleichsbeispiel erhaltenen Ausgangscharakteristiken zeigen.
Entsprechend den Versuchsergebnissen fließt der Pumpstrom Ip0 im Fall des Vergleichsbeispiels, selbst wenn die Detektionsspannung V0 0 mV beträgt, d. h. selbst wenn die Sauerstoffkonzentration in der ersten Kammer 58 etwa dieselbe Sauerstoffkonzentration ist wie im Referenzgas-Einbringungsraum 52. Somit ist zu verstehen, dass der Pumpstrom Ip0 durch den Kriechstrom des Heizelements 94. beeinflusst wird.
Im Gegensatz dazu beträgt im Fall des Beispiels, wenn die Detektionsspannung 0 mV beträgt, der Pumpstrom Ip0 ebenfalls 0 mA. Demgemäß ist zu verstehen, dass der Pumpstrom Ip0 nicht durch den Pumpstrom des Heizelements 94 beeinflusst wird.
Im nächsten Schritt wird im dritten veranschaulichenden Versuch der Einfluss der Länge des Zuleitungsdrahts (Widerstand des Zuleitungsdrahts), der auf die Detektionsspannung V0 einwirkt, in Bezug auf Beispiel und Vergleichsbeispiel beobachtet.
4 zeigt Versuchsergebnisse, die im dritten veranschaulichenden Versuch erhalten wurden. Charakteristische in 4 dargestellte Kurven wurden erhalten, indem die im Beispiel und im Vergleichsbeispiel erhaltenen Ausgangsdaten ausgedrückt wurden, während die Länge des Zuleitungsdrahts (m) entlang der Abszisse und die Detektionsspannung V0 (mV) entlang der Ordinatenachse dargestellt wurden. In 4 stellen die gefüllten Dreiecke die im Beispiel erhaltenen Ausgangscharakteristiken dar, während die gefüllten Kreise die im Vergleichsbeispiel erhaltenen Ausgangscharakteristiken zeigen. Im dritten veranschaulichenden Versuch wird der negative Seitenanschluss der Referenzenergiequelle einer Bodenerdung GND unterworfen, um sie mit der Detektionsspannung V0 einem Vergleich unterziehen zu können.
Gemäß den Versuchsergebnissen wird im Fall des Vergleichsbeispiels die Detektionsspannung V0 verringert, wenn die Länge des Zuleitungsdrahts lang wird. Somit ist zu verstehen, dass die Detektionsspannung V0 sehr stark durch die Länge des Zuleitungsdrahts des Heizelements 94 beeinflusst wird.
Der Grund dafür liegt wie folgt darin: Im Fall des Vergleichsbeispiels erscheint die Gesamtspannung der elektromotorischen Kraft (Spannung), die im Zuleitungsdraht auf der negativen Seite erzeugt wird, und der Detektionsspannung V0, die zwischen der Referenzelektrode 70 und der inneren Pumpelektrode 62 erzeugt wird, zwischen der Referenzelektrode 70 und der Bodenerdung GND. Somit ist die Spannung, die mit der Spannung (Referenzspannung) der Referenzenergiequelle im rückgekoppelten Steuerungssystem 74 verglichen wird, nicht die Detektionsspannung V0 sondern die oben beschriebene Gesamtspannung.
Somit wird die elektromotorische Kraft (Spannung), die im Zuleitungsdraht auf der negativen Seite erzeugt wird, mit zunehmender Länge des Zuleitungsdrahts erhöht, wobei entsprechend damit die Detektionsspannung V0 durch das rückgekoppelte Steuerungssystem 74 gesteuert wird, um somit eine Spannung zu ergeben, wie sie durch die Subtraktion der elektromotorischen Kraft von der Referenzspannung erhalten wird.
Im Gegensatz dazu ist im Fall des Beispiels die Detektionsspannung ungeachtet der Länge des Zuleitungsdrahts konstant, wie dies auch aus dem in 4 dargestellten Versuchsergebnis abzulesen ist. Somit wird die Detektionsspannung V0 von der Länge des Zuleitungsdrahts des Heizelements 94 kaum beeinflusst.
Wie zuvor beschrieben wurde, ist im Gassensor gemäß der ersten Ausführungsform die äußere Pumpelektrode 64 der Hauptpumpzelle 66 mit dem Zuleitungsdraht auf der negativen Seite des Heizelements 94 verbunden. Demgemäß wird der Sauerstoff nicht von der inneren Pumpelektrode 62 zum Heizelement 94 hin bewegt.
In der ersten Ausführungsform ist die Spannung V0 zwischen der inneren Pumpelektrode 62 und der Referenzelektrode 70 die Spannung, die der Sauerstoffkonzentration während der Pumpverarbeitung durch die Hauptpumpzelle 66 entspricht, d. h. die Detektionsspannung V0. Darüber hinaus ist die innere Pumpelektrode 62 nicht mit dem Zuleitungsdraht des Heizelements 94 verbunden. Demgemäß tritt kein solches Phänomen auf, in welchem die Detektionsspannung V0 durch die mit dem Widerstand R des Zuleitungsdrahts und des Heizelementstroms assoziierte elektromotorische Kraft (Spannung) überlagert wird.
Somit wird im Gassensor gemäß der ersten Ausführungsform das rückgekoppelte Steuerungssystem 74 zum konstanten Steuern der Sauerstoffkonzentration im Messgas durch den Pumpvorgang wie folgt betrieben: Der Steuerungsvorgang durch das rückgekoppelte Steuerungssystem 74 wird nicht durch den Kriechstrom des Heizelements, die Länge des Zuleitungsdrahts und den Heizelementstrom (Heizelement-Ausgang) beeinflusst. Auf diese Weise ist es möglich, die Sauerstoffkonzentration genau zu steuern.
Als nächster Schritt ist ein Gassensor gemäß der zweiten Ausführungsform mit Bezug auf die 5 erklärt. Komponenten oder Teile, die jenen der in 1 dargestellten entsprechen, werden mit denselben Bezugsziffern bezeichnet, eine doppelte Erklärung dieser wird somit weggelassen.
Der Gassensor gemäß der zweiten Ausführungsform ist in etwa derselben Weise wie der Gassensor gemäß der ersten Ausführungsform konstruiert. Wie in 5 dargestellt, unterscheidet sich aber ersterer von letzterem darin, dass eine Sauerstoffpartialdruck-Detektionszelle 102 anstelle der Messpumpzelle 90 bereitgestellt ist.
Die Sauerstoffpartialdruck-Detektionszelle 102 umfasst eine Detektionselektrode 104, die auf dem Oberseitenabschnitt zur Bildung der zweiten Kammer 60 der Oberseite der ersten Festelektrolytschicht 50d ausgebildet ist, die Referenzelektrode 70, die auf der Unterseite der ersten Festelektrolytschicht 50d ausgebildet ist, und die ersten Festelektrolytschicht 50d, die zwischen den beiden Elektroden 104, 70 angeordnet ist.
In dieser Ausführungsform wird eine elektromotorische Kraft (elektromotorische Kraft der Sauerstoffkonzentrationszelle) V2, die der Differenz in der Sauerstoffkonzentration zwischen der Atmosphäre um die Detektionselektrode 104 herum und der Atmosphäre um die Referenzelektrode 70 herum entspricht, zwischen der Detektionselektrode 104 und der Referenzelektrode 70 der Sauerstoffpartialdruck-Detektionszelle 102 erzeugt.
Somit wird der Sauerstoffpartialdruck in der Atmosphäre um die Detektionselektrode 104, d. h. der Sauerstoffpartialdruck, der als der Sauerstoff definiert ist, der durch Reduktion oder Zersetzung der Messgaskomponente (NO_x) erzeugt wird, als ein Spannungswert detektiert, indem die elektromotorische Kraft (Spannung) V2, die zwischen der Detektionselektrode 104 und der Referenzelektrode 70 erzeugt wird, unter Verwendung eines Amperemeters gemessen wird.
Nunmehr wird das Prinzip der Detektion des Gassensors gemäß der zweiten Ausführungsform mit Bezug auf die in 6 dargestellte charakteristische Kurve erklärt.
Zuerst, wenn die NO-Konzentration im Außenraum 0 ppm beträgt, wenn die Sauerstoffkonzentration in der Atmosphäre in der ersten Kammer 58 mithilfe des rückgekoppelten Steuerungssystems 74 so gesteuert wird, dass die Pumpspannung Vp0 der Hauptpumpzelle 66 einen Wert aufweist (10^–7 atm), der 300 mV entspricht, beträgt auch die Sauerstoffkonzentration in der Atmosphäre in der zweiten Kammer 60 10^–7 atm. Somit beträgt die elektromotorische Kraft (Spannung) V2, die zwischen der Detektionselektrode 104 und der Referenzelektrode 70 der Sauerstoffpartialdruck-Detektionszelle 102, die für die zweite Kammer 60 bereitgestellt ist, erzeugt wird, etwa 460 mV.
Steigt die NO-Konzentration im Außenraum schrittweise an, so wird die Reduktions- oder Zersetzungsreaktion von NO auf der Detektionselektrode 104 ausgelöst, und die Sauerstoffkonzentration in der Atmosphäre um die Detektionselektrode 104 erhöht sich, da die Detektionselektrode 104 auch als NO_x reduzierender Katalysator auf dieselbe Weise wirkt wie die Detektionselektrode 86 der zuvor beschriebenen Messpumpzelle 90 (siehe 1). Demgemäß wird die elektromotorische Kraft (Spannung) V2, die zwischen der Detektionselektrode 104 und der Referenzelektrode 70 erzeugt wird, schrittweise verringert. In Bezug auf 6, welche die charakteristische Kurve zeigt, wird z. B., wenn die NO-Konzentration auf 300 ppm, 500 ppm und 1.000 ppm ansteigt, die elektromotorische Kraft (Spannung) V2, die mittels eines Voltmeters detektiert wird, schrittweise auf 300 mV, 250 mV bzw. 220 mV erhöht.
Der Grad, in welchem die elektromotorische Kraft (Spannung) V2 ansteigt, stellt die NO-Konzentration dar. Anders gesagt bedeutet dies, dass die elektromotorische Kraft (Spannung) V2, die von der Sauerstoffpartialdruck-Detektionszelle 102 ausgegeben wird, die durch die Detektionselektrode 104, die Referenzelektrode 70 und die erste Festelektrolytschicht 50d gebildet wird, die NO-Konzentration im Messgas darstellt.
Im Gassensor gemäß der zweiten Ausführungsform arbeitet das rückgekoppelte Steuerungssystem 74 zum konstanten Steuern der Sauerstoffkonzentration im Messgas durch den Pumpvorgang wie folgt auf dieselbe Weise wie der Gassensor gemäß der ersten Ausführungsform, d. h. der Steuerungsvorgang durch das rückgekoppelte Steuerungssystem 74 wird nicht durch den Kriechstrom des Heizelements, die Länge des Zuleitungsdrahts und den Heizelementstrom (Heizelement-Ausgang) beeinflusst. Somit ist es möglich, die Sauerstoffkonzentration genau zu steuern.
Die Gassensoren gemäß der ersten und der zweiten Ausführungsform sind, wie zuvor beschrieben, auf NO_x als Messgaskomponente ausgerichtet. Die vorliegende Erfindung ist aber auch wirksam auf die Messung anderer, gebundenen Sauerstoff enthaltender Gaskomponenten, die von NO_x verschieden sind, so z. B. H₂O und CO₂, in welchen die Messung durch den im Messgas vorhandenen Sauerstoff beeinflusst wird, anwendbar.

Claims

Gassensor umfassend: eine erste Kammer (58) zum Einbringen eines sauerstoffhältigen Messgases in diese, wobei die erste Kammer durch Festelektrolyte begrenzt ist, die eine externe Festelektrolytschicht (50f) beinhalten, die einen Außenraum berührt; ein Haupt-Sauerstoffpumpmittel (66), das die externe, den Außenraum berührende Festelektrolyschicht (50f) sowie eine innere Pumpelektrode (62) und eine äußere Pumpelektrode (64) beinhaltet, die auf den Innen- und Außenflächen der externen Festelektrolytschicht (50f) ausgebildet sind, wobei die innere Pumpelektrode (62) in der Kammer angeordnet ist, um den im Messgas, das vom Außenraum auf Basis einer zwischen den Elektroden (62, 64) angeordneten Steuerungsspannung (Vp0) eingebracht wird, enthaltenen Sauerstoff einer Pumpverarbeitung zu unterziehen; ein rückgekoppeltes Steuerungssystem (74) zum Einstellen der Steuerungsspannung (Vp0) auf einen vorbestimmten Wert einer Spannung (V0) zwischen der inneren Pumpelektrode (62) des Hauptpumpmittels (66) und einer Referenzelektrode (70), die in einem Referenzgaszwischenraum (52) angeordnet ist; ein Heizelement (94) zum Erwärmen von zumindest dem Hauptpumpmittel (66) auf eine vorbestimmte Temperatur; und Detektionsmittel in der Form einer Sauerstoff-Messpumpzelle (90) oder einer Sauerstoffpartialdruck-Detektionszelle (102) zum Detektieren eines Pumpstroms bzw. einer elektromotorischen Kraft in Abhängigkeit einer Sauerstoffmenge, die im Messgas nach der Pumpverarbeitung durch das Hauptpumpmittel (66) vorhanden ist, worin: die äußere Pumpelektrode (64) des Hauptpumpmittels (66) mit einem erdseitigen Zuleitungsdraht des Heizelements (94) verbunden ist.
Gassensor nach Anspruch 1, worin das Detektionsmittel Folgendes umfasst: eine Messpumpzelle (90), die eine zweite Festelektrolytschicht (50d) und eine Detektionselektrode (86) beinhaltet, die auf der zweiten Festelektrolytschicht (50d) ausgebildet ist, um den im Messgas nach der Pumpverarbeitung durch das Hauptpumpmittel (66) enthaltenen Sauerstoff auf Basis einer zwischen der Detektionselektrode (86) und der Referenzelektrode (70) angelegten Spannung (Vp2) einer Pumpverarbeitung zu unterziehen; und ein Stromdetektionsmittel (150) zum Detektieren eines Pumpstroms (Ip2), der je nach Menge an durch die Messpumpzelle (90) pumpverarbeitetem Sauerstoff erzeugt wird.
Gassensor nach Anspruch 1, worin das Detektionsmittel Folgendes umfasst: eine Konzentrations-Detektionszelle (102) mit einer zweiten Festelektrolytschicht (50d), wobei die Referenzelektrode (70) und eine Detektionselektrode (104) auf der zweiten Festelektrolytschicht (50d) ausgebildet sind, um eine elektromotorische Kraft (V2) zu erzeugen, die einem Unterschied zwischen einer im Messgas nach der Pumpverarbeitung durch das Hauptpumpmittel (66) enthaltenen Sauerstoffmenge und einer im Referenzgaszwischenraum an der Referenzelektrode (70) enthaltenen Sauerstoffmenge entspricht; und ein Spannungs-Detektionsmittel (152) zum Detektieren der elektromotorischen Kraft (V2), die durch die Konzentrations-Detektionszelle (102) erzeugt worden ist.
Gassensor nach Anspruch 1, weiters umfassend ein Hilfs-Rückkoppelungssteuerungssystem (84) zum Einstellen der im Messgas enthaltenen Sauerstoffkonzentration auf eine konstante Konzentration während der durch das Hauptpumpmittel (66) durchgeführten Pumpverarbeitung.
Gassensor nach Anspruch 4 und einem der Ansprüche 2 oder 3, worin das Hilfs-Rückkoppelungssteuerungssystem (84) eine solche Einstellung durchführt, dass eine Spannung (V1) zwischen einer Hilfspumpelektrode (76), die in der Nähe der Detektionselektrode (86, 104) ausgebildet ist, und der Referenzelektrode (70) einen vorbestimmten Wert aufweist.
Gassensor nach Anspruch 2, worin das Messpumpmittel (90) Folgendes umfasst: die Detektionselektrode (86), die an der Innenseite einer zweiten von Festelektrolyten umgebenen Kammer (60) ausgebildet ist, um das Messgas nach der Pumpverarbeitung durch das Hauptpumpmittel (66) in diese einzubringen; die Referenzelektrode (70), die in einer von Festelektrolyten umgebenen Referenzgas-Zufuhrkammer (52) ausgebildet ist, um ein Referenzgas in diese einzubringen; und die Festelektrolytschicht (50d), die zwischen der Detektionselektrode (86) und der Referenzelektrode (70) angeordnet ist.
Gassensor nach Anspruch 3, worin das Konzentrations-Detektionsmittel (102) Folgendes umfasst: die Detektionselektrode (104), die an der Innenseite einer zweiten von Festelektrolyten umgebenen Kammer (60) ausgebildet ist, um das Messgas nach der Pumpverarbeitung durch das Hauptpumpmittel (66) in diese einzubringen; die Referenzelektrode (70), die in einer von Festelektrolyten umgebenen Referenzgas-Zufuhrkammer (52) ausgebildet ist, um ein Referenzgas in diese einzubringen; und die Festelektrolytschicht (50d), die zwischen der Detektionselektrode (104) und der Referenzelektrode (70) angeordnet ist.