CN1286754A - 气体成分测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种气体检测器,通过如下步骤形成:把具有透气性的多孔固体电解质层31、32和电极保护膜1层叠在一起;层叠具有催化作用的多孔电极21、22、23、24、25;层叠多孔电绝缘层4和致密固体电解质层5;并把作为温度控制器件6的加热器放置为接触或接近叠层体。在测量NOx(氮氧化物)和HC(碳氢化合物)的多层排气成分中,可靠性和生产率得到提高,但不降低检测灵敏度。

Description

气体成分测量装置
本发明涉及一种测量排气成分如燃烧过程中产生的氮氧化物和碳氢化合物的检测器，以及一种使用该检测器的检测技术。而且，本发明涉及在要求燃烧控制的工业领域如废物焚烧设备中的排气成分测量，更具体地涉及一种在高温气氛例如车辆中测量排气浓度并根据该测量结果控制燃烧状态的系统技术。
排气成分检测器有许多种。此处排气成分不是指氮氧大气中的主要成分，而是包含在排气中的微量气体成分。排气成分检测器指测量排气的检测器。典型的检测器可大致分为半导体检测器和固体电解质检测器。半导体检测器利用导电载体浓度在测量气体被半导体元件(检测元件)化学吸收时发生变化的现象。所测量气体的浓度变化可通过转换半导体元件电阻的变化而测量到。用于焚烧炉脱氧脱硝工艺的氮氧化物(NOx)检测器已得到研究，其工作温度在200--400℃的中低温范围内。而另一方面，固体电解质检测器可在高于500--600℃的温度中稳定地工作。所以，因气体检测器能在高温排气气氛中使用，例如可用于车辆，固体电解质检测器就成了注意的焦点。
把加入氧化钇而部分稳定的氧化锆(YSZ)用作固体电解质的氧气检测器，已经用作安装在车辆上的检测器，并提出类似地把YSZ用作主要成分的排气检测器。NOx检测器在日本专利特开平10-142194中有详细描述，而碳氢化合物(HC)检测器在日本专利特开平10-19843中有描述。这些排气成分检测器的检测部分的结构通过把固体电解质未加工片进行必要的成形；把成形未加工片与铂电极层叠在一起；然后烘烤此层叠结构而形成。由于检测器具有把包括测量室和气体通道结构的多层与电极层叠在一起的结构，此检测器可称为多层检测器。
另一方面，关于多层排气成分检测器，使用具有透气性的多孔固体电解质层的实例在日本专利特开平7-260741中有描述。在此排气成分检测器中去除测量室和气体通道，检测器通过使用一个多孔固体电解质层而形成。为了提高检测准确度，除了一般电极保护层之外还形成有具有气体选择性的保护层。
在日本专利特开平10-142194和日本专利特开平10-19843中描述的两种多层排气成分检测器都适用于小尺寸高性能检测器。然而，它们的问题是在烘烤时或在加热条件下使用过程中易于发生裂纹。通过把破裂形式分类发现，其它原因比层间分离或脱层原因更经常地导致裂纹。裂纹的发生需要一些起始点。起始点可为不同材料相互接触的部分或者热应力和/或内在应力集中的部分。在多层检测器的情况下，在层内或在不同材料之间边界形成的测量室间隙部分易于形成起始点。因此，为了在具有上述结构的常规检测器中抑制裂纹的发生，要求在制造检测器时仔细注意材料的同一性和温度控制等。除此之外，多层排气成分检测器有限制制造工艺简化的问题，因为在一层中有各种各样的结构。更详细地，在常规结构中，整个层叠体难以通过印制方法形成，因为间隙部分需要在结构中形成。
进一步地，尽管在日本专利特开平7-260741中描述的多层排气成分检测器结构简单并且较少发生裂纹，但它有得不到足够的检测准确度的问题。排气成分的量与氮气和氧气的量相比很小。以车辆排气中的NOx浓度为例，NOx浓度为0.05％或更少，相比之下，氧气浓度20％且可以为干扰气体。为了提高检测准确度，有必要除去大量存在且对测量有不良影响的氧气，然后检测非常小量的排气。在用日本专利特开平7-260741中描述的一个多孔固体电解质层而形成的多层排气成分检测器中，有这样的问题，即要除去的氧气浓度不能定量且不能准确地测量。排气成分的测量误差受不能准确除去的氧气成分的影响。而且，日本专利特开平7-260741的检测器有难以测量非常小量的排气成分的问题，因为它不能进行两步测量，即除氧并接着测量排气成分。
而且，当多个固体电解质层层叠到一定厚度以便得到许多功能时，就产生难以获得高敏感度的问题，因为测量气体难以穿过多孔固体电解质层。也难以实现检测部件的迅速升温。
关于车辆中的燃烧控制，该系统有氧气检测器和空气-燃油比例检测器，但没有任何能准确稳定地测量排气成分的装在车上的检测器。因此，不可能直接测量氮氧化物和碳氢化合物来反映燃烧控制。
本发明的目的是提供一种具有良好敏感特性、高可靠性和易于制作的多层气体成分测量装置。
根据本发明，由于在每个叠加层中没有测量室和没有气体通道，在制作或使用检测器时的加热条件下裂纹起始点的数量可以减少，结果是能抑制裂纹的发生。还能获得检测器的迅速升温。
而且，由于在每个叠加层中没有诸如测量室和气体通道的结构，层叠体易于通过层叠未加工片和/或用印制方法而形成。
再者，通过使用其中包括能渗透气体的固体电解质层的多个固体电解质层，有可能基于上述的两步测量来准确除去氧气成分并准确测量排气成分。
另外，由于多个层能用印制方法薄薄地层叠，即使使用多个能渗透气体的固体电解质层也能避免气体渗透性变坏。
更进一步，在根据本发明的多层排气成分检测器应用于废物焚烧设备或车辆上的情况下，由于非常小量的排气成分例如NOx和HC可直接测量，细致的减少排气成分的燃烧控制得以实施。
图1示出根据本发明的多层排气成分检测器第一实施例的截面视图。
图2解释根据本发明的多层排气成分检测器第一实施例的操作。
图3示出根据本发明的多层排气成分检测器第二实施例的截面视图。
图4示出根据本发明的多层排气成分检测器第三实施例的截面视图。
图5示出根据本发明的多层排气成分检测器第三实施例的总体结构。
图6解释构造本发明多层排气成分检测器的方法。
图7解释有保护膜的层叠体的侧面涂层，该保护膜具有电绝缘性质。
图8示出根据本发明的多层排气成分检测器第四实施例的截面视图。
图9解释根据本发明的多层排气成分检测器第四实施例的操作。
图10示出根据本发明的多层排气成分检测器第五实施例的截面视图。
图11解释根据本发明的多层排气成分检测器第五实施例的操作。
图12示出根据本发明的多层排气成分检测器第六实施例的截面视图。
图13解释根据本发明的多层排气成分检测器第六实施例的操作。
图14示出根据本发明的多层排气成分检测器第七实施例的截面视图。
图15解释如何把根据本发明的多层排气成分检测器安装到排气管上。
图16解释使用本发明多层排气成分检测器的车辆引擎燃烧控制系统。
图17示出根据本发明的多层排气成分检测器第八实施例的截面视图。
参照附图详细描述本发明实施例。以下基于主要测量作为排气成分的氮氧化物(NOx)的实例进行描述。此处每一附图中的相似部件用相同参考符号标识。
图1示出根据本发明的气体成分测量装置第一实施例(下面将具体解释多层排气成分检测器)的横截面。
首先，描述检测器的结构。
以从叠层体顶部开始的顺序，叠层体包括多孔电极保护膜1、第一氧气泵阳极21、多孔固体电解质层31、第一氧气泵阴极22、多孔固体电解质层32、氧气参比电极23、多孔电绝缘层4、第二氧气泵阴极24、致密(稠密)固体电解质层5以及第二氧气泵阳极25。叠层体放置得接触到或靠近温度控制器件6。图1是在叠层体靠近温度控制器件时的解释视图。叠层体与温度控制器件6的结合称作气体检测部分。气体检测部分没有任何常规排气成分检测器所具有的真空室。尽管为了容易理解把每个电极器件中的阳极和阴极区别开，但根据使用检测器的方法可部分互换这些电极的作用。
即使烧结的固体电解质致密得没有气体渗透，但一般内部含孔，尽管如此，但单词“多孔”此处指这些孔互相连通形成漏气通道的性质。在这种意义中，多孔固体电解质具有透气性，其程度取决于孔隙率。虽然透气性随着孔隙率的增加而增加，但机械强度减小。所以，在实际使用中孔隙率优选低于50％。
以下描述每个组件的细节和操作。
多孔电极保护膜1可例如由几十微米厚的多孔氧化铝膜形成。多孔电极保护膜使测量气体扩散和渗透，并同时防止电极分离开。而且，多孔电极保护膜1用于限制测量气体的扩散率，从而使第一氧气泵除去的氧气量不超过泵的容量，这在随后描述。
多孔固体电解质层31、阳极21和阴极22构成第一氧气泵单元。要求阳极21和阴极22不能妨碍气体如图中箭头所示的运动。作为满足此要求的方法，电极21和22的面积值都设置得阻止气体渗透不要太多。然而，电极面积不能减少得太小，因为面积影响检测器输出的S/N比。因此，通过使用自身具有透气性的电极，气体的运动就容易保证。与具有透气性的电极一样，可使用多孔电极、具有热或电形成的裂纹的电极或者具有借助图案化形成的气体可渗透部分的电极。所用的电极材料为加速氧气分子电离或起反作用的催化材料。金属材料为一个实例。电极例如铂的厚度在图中放大示出，但它例如为大约10μm。电极面积优选为大约10mm2。另一方面，用氧化钇部分稳定的氧化锆(YSZ)可用于多孔固体电解质层31。加热到超过700℃的氧化锆固体电解质通过在两端施加电压来抽吸固体电解质内的氧离子。此现象称为氧气抽吸作用。由于本发明使用具有透气性的多孔固体电解质作为固体电解质层，就没有必要在固体电解质层内形成测量室和气体通道。由于固体电解质层本身能在同一时间用作测量室和气体通道，发生裂纹的起始点数量可显著减少。
多孔固体电解质有时用作具有透气性的涂敷材料。在另一方面，本发明特征在于多孔固体电解质涂敷到排气成分检测器上作为具有氧气抽吸作用的功能材料。为了利用氧气抽吸作用，电极器件按照本发明沿多孔固体电解质的层叠方向形成在顶部表面和底部表面上。
阴极22、多孔固体电解质层32和氧气参比电极23构成测量氧气浓度的第二氧气泵。与第一氧气泵中的材料类似的材料可用于每一个组件。第二氧气泵用于在第一氧气泵除去氧气之后检测和控制气体中的氧气浓度。在第一氧气泵中，除去测量气体中的氧气以使氧气浓度在NOx不分解的范围内为恒定值。因此，优选准确控制第一氧气泵所除去的氧气量。第一氧气泵的泵容量可用第二氧气泵来控制，以使被第一氧气泵除去后的氧气浓度和氧气参比电极23附近的氧气浓度之差为恒定的浓度差。因为氧气参比电极23附近的氧气浓度认为是接近恒定，这在以下描述，氧气浓度可从被第一氧气泵除去的氧气量测量到。
穿过第一氧气泵的测量气体到达氧气参比电极23。氧气浓度被第一氧气泵大大减小，但余下的氧气逐渐输送到氧气参比电极23。另一方面，由于第二氧气泵总是抽吸氧气到阴极22，氧气参比电极附近的氧气浓度保持在接近于恒定。众所周知，在固体电解质层两端的氧气浓度与电压之间的关系遵循Nernst公式(公式1)。
E=(RT/4F)ln[P1/P2]    …公式1
其中E：电压
    R：气体常数
    T：绝对温度
    F：法拉第常数
    P1，P2：氧气分压
由于氧气浓度的对数决定电压，即使氧气参比电极23的氧气浓度不准确为恒定，但可认为氧气浓度实际上恒定。在图1中，氧气参比电极23在电极的一部分中有连接到外部的图案部分。通过这样做，微量氧气可与外部交换，利用电极的透气性来抑制氧气参比电极23附近的氧气浓度过分变化。由于氧气不在电极中过分积累，有可能防止电极因检测器错误操作而引起的破裂。当然，如果测量气体中剩余氧气的浓度可控制以便总与第二氧气泵的泵容量相平衡，图案部分可省略。与第一氧气泵情况类似，通过分别在阴极22、固体电解质层32和氧气参比电极23中使用透气材料，使气体的运动不受妨碍。
多孔电绝缘层4把第一氧气泵和第二氧气泵与以后描述的第三氧气泵电绝缘开。由于多孔电绝缘层4也有透气性，测量气体的运动不受妨碍。
阴极24、致密固体电解质层5和阳极25构成第三氧气泵。当氧气进一步从到达阴极24的测量气体中除去时，因氧气浓度已减小而发生(公式2)所示的NOx分解反应，。加速NOx分解反应的催化材料用于阴极24。金属材料的实例为铂、铑等等。例如铂的金属材料可用于阳极25。由于NOx主要在阴极24分解，固体电解质层5不需要有透气性。因此，一般用的致密氧化锆固体电解质可用于固体电解质层5。具体而言，用氧化钇(YSZ)部分稳定的氧化锆可以使用。由于第三氧气泵的泵电流量根据(公式2)取决于NOx浓度，可以测量排气成分的NOx浓度。
    …(公式2)
N：氮原子
O：氧原子
因第三氧气泵作用的结果，氮和氧分别在阴极24和阳极25上积累。每个电极有连接到外部的图案部分以使积累的氮或氧逐渐释放到外部。由于一般来说致密固体电解质比多孔固体电解质机械强度高，构成第三氧气泵的固体电解质层5也用作加强叠层体100的支撑部件。与其它层相比，增加固体电解质层5的厚度可进一步提高效果。由于固体电解质层5不允许气体穿过，厚度变化对检测器敏感特性的影响较小。
由上述部件构成的叠层体100放在靠近温度控制器件6的位置。另外，叠层体100也可直接安装在温度控制器件6上。例如由用氧化铝覆盖铂加热器而形成的加热器可用于温度控制器件6。温度控制器件6加热叠层体直到上述每个氧气泵都能工作的温度。有各种方法可用于温度控制。这些方法的一个实例是测量任一个电极和/或氧化锆层的电阻值以获得实际温度，根据所获得的温度控制加热器的电流。有可能进行时间共享处理以在检测器信号检测操作之间的间隔中测量电阻值。
图2解释根据本发明的多层排气成分检测器(NOx检测器)第一实施例的操作实例。操作放大器71控制第一氧气泵的电流I1，以使第二氧气泵的电极两端之间的电压为恒定值eλ。通过与阴极22附近的氧气浓度比较，参比电极23附近的氧气浓度保持不变。当测量气体中的氧气浓度改变时，与此变化相应的是阴极22附近的氧气浓度改变和第二氧气泵电极两端之间的电压(改变)。第一氧气泵的抽吸量发生变化以补偿第二氧气泵电极两端之间的电压变化。通过上述操作，测量气体中的氧气浓度可在NOx不分解的范围内准确减小到一定值。其中，由于电流I1根据测量气体中的氧气浓度而变化，测量气体中的氧气浓度可从电流I1值测量到。操作放大器72控制使第三氧气泵阳极25到阴极24的电压为恒定值eN。运动到阴极24的测量气体为这样一种状态，即氧气浓度减小到NOx不分解的范围内。在此条件下，当氧气浓度在阴极24的催化作用下进一步减小时，NOx发生根据(公式2)的脱氧反应。该反应产生的氧气被第三氧气泵传输到阳极25。亦即，电流I2值随NOx浓度而变化。结果，排气成分的NOx浓度可从电流I2值测量到。在上述中，电压值eλ和eN保持不变或根据测量条件变化。这些操作可用控制系统例如外部设置的微机来实施。
图3示出根据本发明的多层排气成分检测器第二实施例的横截面。本实施例特征在于图1中的多孔电绝缘层4由三层41、42和43组成。多孔电绝缘层41和43的热性能(热膨胀系数等)分别设置成位于多孔电绝缘层41热性能和上、下固体电解质层热性能之间的中间值。尽管绝缘层41和固体电解质层32或5在热膨胀系数上一般有差别，但叠层体100的热变形可通过插入多孔电绝缘层42和43来缓和。所以，可防止叠层体100在长时间的反复温度变化时发生折断。在调整热性能时，即使绝缘层42和43有某种程度的导电性也没有问题。这是因为中间绝缘层41可确保电绝缘。当绝缘层42和43由相同材料对称形成时，由三层结合成的绝缘层不象双金属那样弯折，并且缓和热变形的效果变得更好。对应于检测器功能的其它结构与图1和图2中的没有区别。
图4示出根据本发明的多层排气成分检测器第三实施例的横截面。本实施例特征在于电绝缘层44和45插入到图3的叠层体100和温度控制器件6之间。电绝缘层44和45的热性能(线性膨胀系数等)设置成位于叠层体100和温度控制器件6的热物理性质之间的中间值。由此，检测部分的热变形可以缓和，结果，可防止叠层体100在长时间的反复温度变化时发生折断。尽管图4示出两个电绝缘层插入到叠层体100和温度控制器件6之间的情形，但当然有可能改变插入层的数量。由于气体不在叠层体100和温度控制器件6之间流动，电绝缘层44、45可由致密(稠密)材料做成。而且，出于同一原因，即使增加插入层的数量也没有困难。对应于检测器功能的其它结构与图1和图2中的没有区别。
图5示出根据本发明的多层排气成分检测器第三实施例的结构特征。叠层体100借助电绝缘层44、45安装到平板型温度控制器件6的上表面端部。温度控制器件6通过把包括加热线(或使用铂之类的加热器图案)的层63置于由于氧化铝之类制成的绝缘层61、62之间而形成。通过使叠层体的尺寸充分小于温度控制器件的尺寸，叠层体可在短时间内加热到预定的工作温度。另外，叠层体内部的温度不均匀(温度梯度)也可减小。叠层体100和电绝缘层44、45可通过层叠板形未加工片、压装叠加层并烘烤压装层而制成。另外，多层排气成分检测器也可通过借助粘合层如粘合剂层叠部分烘烤的层、并进而烘烤它们而制成。把电绝缘层44、45和包括电极的叠层体100的单个层依次印制到由层叠未加工片和加热器图案而形成的温度控制器件6上、接着烘烤它们以制造多层排气成分检测器是有效果的。由于根据本发明的多层排气成分检测器没有任何测量室和任何气体通道，就容易层叠包括电极的单个层。
尽管图5示出把叠层体100安装在板形陶瓷元件上的实例，但基板的元件不总是必须为板形。例如，叠层体100可安装在以囊管形状形成的元件上，该形状在氧气检测器领域众所周知。用诸如丝网印制的印制技术容易印制在曲面上。在这种情况下，如果以囊管形状形成的元件由固体电解质制成，使用以囊管形状形成的元件而不是构成叠层体的致密固体电解质层5就可发挥致密固体电解质层5的功能。
图6示出根据本发明的多层排气成分检测器的层叠结构的实例。以从底部开始的顺序层叠以下层：氧化铝层(未加工片)62、铂加热器图案84、氧化铝层(未加工片)61、绝缘体层47、电极图案25、致密(稠密)氧化锆层5、电极图案24、多孔绝缘层46、电极图案23、多孔氧化锆层32、电极图案22、多孔氧化锆层31、电极图案21和多孔电极保护膜(氧化铝)1。为了减少热变形，优选绝缘层46、47由其热膨胀系数在氧化铝热膨胀系数和氧化锆(YSZ)热膨胀系数之间中间值的元件形成。另外，多层可如图3和图4中所示层叠成。参考符号81指电极端部(贴片)，参考符号82指电极线，参考符号83指加热线，参考符号84指加热器，而参考符号85指加热器的端部(贴片)。形成在氧化铝层62中的加热器的端部85设置得从加热器83穿过通孔。图6中的部分B主要用未加工片制作，部分A可用印制方法制作。部分A还可印制和烘烤在温度控制器件的预层叠部分B的顶部上，该温度控制器件使用绝缘层47作为粘合层。
当多个固体电解质层层叠到一定厚度时，测量气体一般变得难以穿过并且相应地难以获得高敏感特性。然而，在根据本发明的多层排气成分检测器中，多层用印制方法以薄的厚度层叠。这样做，尽管非常小量的排气成分可以通过使用多个固体电解质层而准确检测到，但敏感特性不会变坏。
在图5情形下，其中未加工片层叠在一起，固体电解质层的侧面暴露在气氛中。另一方面，在图6情形下，其中使用印制方法，固体电解质层的侧面可用图7所示的电极保护膜1覆盖。图7中的参考符号23、24和25指开口向叠层体外的电极图案的部分。因为电极保护膜1的尺寸可决定以便不覆盖电极的开口部分，所以积累在多孔电解质中的反应气体可释放到外部。根据图7，由于气体检测部分的外表面的主要部分能用具有电绝缘性质的保护膜覆盖，有可能避免诸如电短路之类的故障，该故障例如因在使用检测器过程中外部物体附着到叠层体的侧面上而引起。当然，也可能把具有电绝缘性质的保护膜分别放置以覆盖叠层体的侧面。
图8示出根据本发明的多层排气成分检测器第四实施例的横截面。图9解释检测器操作的实例。本实施例特征在于，通过去除图1的多孔电绝缘层并把电极23、24组成电极26以减少层的数量。测量气体比在上述实施例中更易于运动，以提高检测器的敏感性质。在测量气体穿过多孔电极保护膜1后，气体中的氧气被构成第一氧气泵的多孔电解质层31的抽吸氧作用除去。此处除去的氧气量在NOx不分解的范围内。如图9所示，剩余在测量气体中的氧气浓度可用操作放大器71控制以使在参比电极附近处的氧气浓度为恒定值。更详细地，控制电流I1使第二氧气泵两端的电压为恒定值eλ。另一方面，通过构成第二氧气泵的多孔固体电解质层32的氧气抽吸作用和构成第三氧气泵的致密固体电解质层5的抽吸作用，氧气参比电极附近的氧气浓度保持近乎为恒定。氧气参比电极附近的氧气浓度调整到能发生NOx分解反应的浓度。氧气参比电极26由诸如铂或铑的催化材料制成，该催化材料加速氧气的离子化并同时加速NOx的脱氧反应。操作放大器72控制第三氧气泵单元两端之间的电压以便为恒定值eN。当NOx的脱氧反应发生时，第二和第三氧气泵的抽吸量改变。关于第二氧气泵，要测量的NOx的脱氧反应浓度为约几百ppm，脱氧反应产生的氧气浓度与第一氧气泵的抽吸量相比非常小。因此，NOx脱氧反应产生的氧气对用于控制第一氧气泵操作的氧气参比电极的作用没有大的影响。在另一方面，关于第三氧气泵，当NOx浓度为零时泵电流I2值较小并近乎为常数，当NOx浓度增加时电流I2增加。所以，NOx浓度可由泵电流I2值计算出。如果事先知道使NOx浓度为零的气氛条件，NOx浓度就可从检测器输出(泵电流I2值)减去差值来校准。
图10示出根据本发明的多层排气成分检测器第五实施例的横截面。图11解释检测器操作的实例。本实施例特征在于，通过去除图1的多孔固体电解质层32和氧气参比电极23，减少层的数量以使测量气体容易在叠层体中运动。由此可提高检测器的敏感性质。进而，与本发明第四实施例相比较，在第一氧气泵除氧和第三氧气泵NOx脱氧作用之间没有阻碍。在测量气体穿过多孔电极保护膜1之后，气体中氧气被构成第一氧气泵的多孔电解质层31的氧气抽吸作用除去。此处除去的氧气量在NOx不分解的范围内。如图11所示，操作放大器73控制使固体电解质层31的端电压为恒定值eλ。由于当测量气体中氧气浓度相对较高时电流I1增加并当较低时I1减少，所以氧气浓度能从泵电流I1的量获得。穿过多孔电绝缘层41、42和43的测量气体到达电极24。电极24由例如铂或铑的催化材料制成，该催化材料加速氧气的离子化并同时加速NOx的脱氧反应。操作放大器72控制第三氧气泵单元两端之间的电压以便为恒定值eN。当由第三氧气泵操作引起的NOx脱氧反应发生时，电流I2值改变。所以，NOx浓度可从电流I2值获得。此实施例难以精确控制剩余氧气浓度，它难以直接监视剩余氧气浓度在穿过第一氧气泵之后是否在NOx不分解的范围内。然而，如果被第一氧气泵除去的氧气量设置成稍微小点的值(小于值eN)，有可能保护非常小量的NOx免于在第一氧气泵分解。在此种情形中，电流I2产生相对较大的偏差，因为第三氧气泵剩余的氧气浓度增加，但检测器输出的电流I2的偏差能根据电流I1纠正，I1与剩余氧气浓度有关系。
图12示出根据本发明的多层排气成分检测器第六实施例的横截面。图13解释检测器操作的实例。本实施例特征在于，叠层体仅由多孔固体电解质层31、32和相应电极构成。由于层数大大减少，测量气体就更容易运动以提高检测器的敏感特性。另外，因层数少，容易制作检测器。因为叠层体几乎用同一种结构材料制成，还易于设置烘烤条件。在测量气体穿过多孔电极保护膜1之后，气体中氧气被构成第一氧气泵的多孔电解质层31的氧气抽吸作用除去。此处除去的氧气量在NOx不分解的范围内。如图12所示，操作放大器73控制使固体电解质层31的端电压为恒定值eλ。由于当测量气体中氧气浓度相对高时电流I1增加并当浓度低时I1减小，氧气浓度可从泵电流I1值得到。电极24由例如铂或铑的催化材料制成，该催化材料加速氧气的离子化并同时加速NOx的脱氧反应。氧气泵的操作与图9情形中的类似，对于信号处理，NOx浓度可与图11中情形相似地测量。
多孔固体电解质层31除去气氛中的氧气，而多孔固体电解质层32对NOx脱氧并测量。要求测量非常小量排气成分的两阶段测量通过结合多个多孔固体电解质层来进行。
图14示出根据本发明的多层排气成分检测器第七实施例的横截面。本实施例特征在于，加速氧气离子化和NOx脱氧反应的催化材料例如铂或铑混合在多孔固体电解质层中。制作多孔固体电解质层33的材料通过把加速氧气离解反应的催化材料混合进入固体电解质例如氧化锆(YSZ)中而制备成。制作多孔固体电解质层34的材料通过把加速氧气离子化和NOx脱氧反应的催化材料混合进入固体电解质中而制备成。尽管元件的操作与图13实施例的相同，在本实施例中两氧气泵之间的阻碍减小，并且因为当测量气体穿过多孔固体电解质层时氧气离子化和NOx脱氧反应得到促进，气体反应可有效加速。
在根据本发明的NOx检测器中，包含在常规结构中的测量室和气体通道由多孔固体电解质的多层结构替代。因此，萌生大裂纹的起始点可以消除，在同时叠层体可用印制方法容易形成。同时，通过使用具有透气性的多个固体电解质层，有可能准确除去氧气成分、进行两阶段测量并准确测量排气成分。
图15解释把根据本发明的多层排气成分检测器安装在废物焚烧设备或引擎的排气管上的实例。参照附图，参考符号100为检测元件的叠层体，参考符号6为支承叠层体的温度控制部件，参考符号86为电极片，参考符号87为导线，参考符号91为保护管，参考符号92为在处理过程中加强检测器的部件，参考符号93为气体密封器件，而参考符号94为测量气体可在其中流动的管。为简化起见，省略了每一部件的详细结构。例如，保护管91是由多个适当布置的管组成的结构，每个管都有气体从其流过所必需的多个孔。上述安装方法可应用于普通排气管，这与应用检测器的系统种类无关。
由于氧化锆(YSZ)可在高于600℃的温度中工作，根据本发明的排气成分检测器在高温条件如车辆排出气氛中发挥稳定工作的效果。当然，由于检测器有温度控制器件，固体电解质的离子导电性可得到保证，而且检测器可在低温条件下稳定地工作。因此，通过把根据本发明的排气成分检测器安装在需要燃烧控制的工业设备的排气管部分上，有可能进行用于在宽气氛温度范围内减少排气成分的燃烧控制。
图16解释排气成分检测和控制系统特征的实例，该系统安装在车辆排气管部分上。参考符号90指根据本发明的多层排气成分检测器，它是根据图15等中的方法安装的；参考符号95指NOx催化剂；参考符号96指电子控制单元；参考符号Sa指从其它检测器、执行结构、控制单元来的输入信号；而参考符号Sb指到其它检测器、执行结构、控制单元去的输出信号。电子控制单元96可为引擎控制单元或者分别设在靠近催化剂95或检测器90位置上的单元。NOx催化剂95有这样的问题，即催化能力在使用期间是饱和的或者随时间变坏。所以，催化能力需要分析。根据图16的系统，通过比较在催化剂上游的检测器的输出和下游检测器的输出，有可能定量分析NOx是否分解。而且，在下游一侧气氛中排出的NOx浓度可直接测量。由于非常小量的排气成分能直接检测到，可以细致地进行引擎燃烧控制。本发明还能适用于废物焚烧设备。
图17示出根据本发明的多层排气成分检测器第八实施例的横截面。本实施例为测量碳氢化合物(HC)而不是NOx的检测器。操作放大器74控制使固体电解质层32两端之间的电压为恒定值eHC。而且，多孔固体电解质层31给有催化作用的电极27提供氧气。与上述NOx检测器情况中相同的材料可用于固体电解质层31、32和电极21、25。特征部分为由加速HC氧化还原反应的催化材料形成的电极27。当氧气被催化反应消耗时，电极27到电极25的电压变化，而且相应地电流I3流动以补偿电压。所以HC浓度可从电流I3检测到。正如本实施例，通过结合具有催化作用的电极，根据本发明的多层排气成分检测器可适应各种排气成分的检测，并能确保检测器的准确性和可靠性。

Claims (19)

1．一种气体成分测量装置，包括：
第一固体电解质层；以及
第二固体电解质层，所述第一固体电解质层和所述第二固体电解质层层叠在一起，其中：
所述第一固体电解质层为多孔的，并通过传导电流除去穿过第一固体电解质层的气体中的至少一部分氧气；
穿过所述第一固体电解质层的气体中的待测量成分被所述第二固体电解质层的传导电流脱氧或氧化；
所述待测量成分的浓度基于通过所述第二固体电解质层传导的电流来测量。
2．如权利要求1所述的气体成分测量装置，其中：所述叠层体不包含任何空室或任何空层。
3．如权利要求1所述的气体成分测量装置，其中：
包括检测穿过所述第一电解质层的气体中的氧气浓度的检测器件；且所述除去的量基于所述检测器件检测到的值来控制。
4．如权利要求3所述的气体成分测量装置，其中：
所述检测器件基于由从其中穿过所述气体的第三多孔固体电解质层所产生的电压来检测所述氧气浓度，所述第三固体电解质层层叠在所述第一固体电解质层和所述第二固体电解质层之间。
5．如权利要求4所述的气体成分测量装置，其中：
所述叠层体不包含任何空室或任何空层。
6．如权利要求1所述的气体成分测量装置，其中：
所述除去的氧气的一部分从所述叠层体的侧面释放到外部。
7．如权利要求1所述的气体成分测量装置，其中：
包含在所述气体中的一些成分在穿过所述第一固体电解质层时被氧化或脱氧。
8．如权利要求1所述的气体成分测量装置，其中：
所述第二固体电解质层形成为致密体；且
所述第二固体电解质层加热到超过所述第一固体电解质层温度的温度。
9．一种气体成分测量装置，包括：
第一多孔固体电解质层；
第二固体电解质层；
形成在所述第一固体电解质层和第二固体电解质层两侧的透气电极；
用于控制流过所述第一固体电解质层的所述电极的电流的第一控制器件；
用于控制流过所述第二固体电解质层的所述电极的电流的第二控制器件，其中：
至少由所述第一固体电解质层、所述第二固体电解质层和所述电极构成叠层体；且
向外部输出基于流过所述第二固体电解质层的所述电极的电流的值。
10．如权利要求9所述的气体成分测量装置，其中：
所述电极包括第一对形成在所述第一固体电解质层两侧的透气电极和第二对形成在所述第二固体电解质层两侧的透气电极；
多孔绝缘层设置在所述第一固体电解质层和所述第二固体电解质层之间；
至少由所述第一固体电解质层、所述第一对透气电极、所述第二固体电解质层、所述第二对透气电极及所述绝缘层构成叠层体。
11．如权利要求9和10中任一项所述的气体成分测量装置，其中：
所述叠层体不包含任何空室或任何空层。
12．如权利要求11所述的气体成分测量装置，包括：
设置在所述第一固体电解质层和所述第二固体电解质层之间的第三对多孔固体电解质层；以及
一对设置在所述第三多孔固体电解质层两侧的透气电极，其中：
所述第一控制器件基于所述第三对电极的电压进行控制。
13．如权利要求11所述的气体成分测量装置，其中包括：
一种加热器件，该加热器件在所述叠层体中比所述第一固体电解质层更接近于第二固体电解质层的位置上层叠。
14．如权利要求11所述的气体成分测量装置，其中：
所述叠层体用印制方法制造。
15．如权利要求11所述的气体成分测量装置，其中：
所述电极的一部分或所述一对电极的一部分在所述叠层体侧面向外部暴露。
16．如权利要求11所述的气体成分测量装置，其中包括：
在所述叠层体中的催化剂，该催化剂加速气体中待测量成分的化学反应。
17．如权利要求11所述的气体成分测量装置，其中，气体中氮氧化物成分通过以下步骤检测：
使用所述第一控制器件控制电流沿朝着所述第二固体电解质层的方向流动；以及
使用所述第二控制器件控制电流沿朝着所述第一固体电解质层的方向流动。
18．如权利要求11所述的气体成分测量装置，其中，气体中碳氢化合物成分通过以下步骤检测：
使用所述第一控制器件控制电流沿朝着所述第二固体电解质层的方向流动；以及
使用所述第二控制器件控制电流沿着与上述相同的方向流动。
19．一种燃烧控制装置，其中包括：
通过燃烧产生热的燃烧装置；
设置在所述燃烧装置排气系统中的催化剂；
如权利要求1和9中任一项所述的气体成分测量装置，该气体成分测量装置置于所述排气系统中所述催化剂的下游位置；以及
在所述燃烧装置中基于用所述气体成分测量装置对特定气体成分所测量到的测量值来控制燃烧的控制器件。
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