DE102019004190A1

DE102019004190A1 - Gassensor und gaskonzentrationsmessverfahren

Info

Publication number: DE102019004190A1
Application number: DE102019004190.9A
Authority: DE
Inventors: Taku Okamoto
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2018-06-15
Filing date: 2019-06-13
Publication date: 2019-12-19
Also published as: CN110609073B; JP2019219177A; JP7022012B2; CN110609073A; US11293893B2; US20190383765A1

Abstract

In einem Gassensor (10), der zum Messen der Konzentrationen einer Mehrzahl von Komponenten in der Gegenwart von Sauerstoff ausgebildet ist, sind im Inneren eines Strukturkörpers (14), der aus einem Sauerstoffionen-leitenden Festelektrolyten hergestellt ist, eine Vorkammer (21), die eine Mischpotenzialelektrode (82) aufweist, eine Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer (18), die eine Hauptpumpelektrode (42) aufweist, und eine Messkammer (20), die eine Messelektrode (62) aufweist, in einer Weise, dass sie miteinander in Verbindung stehen, in dieser Reihenfolge ausgebildet. Während Sauerstoff innerhalb des zu messenden Gases durch die Hauptpumpelektrode (42) und die Messelektrode (62) abgegeben wird, wird die NH-Konzentration innerhalb des zu messenden Gases durch ein Mischpotenzial V0 der Mischpotenzialelektrode (82) gemessen.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung:
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gassensor und ein Gaskonzentrationsmessverfahren.
Beschreibung des Standes der Technik:
Herkömmlich wurden Gassensoren vorgeschlagen, welche die Konzentrationen einer Mehrzahl von Zielkomponenten, wie z.B. Stickstoffoxid (NO) und Ammoniak (NH₃) und dergleichen, die zusammen in der Gegenwart von Sauerstoff vorliegen, wie z.B. in einem Abgas, messen.
Beispielsweise ist in der internationalen Veröffentlichung Nr. WO 2017/222002 ein Gassensor offenbart, in dem in einem Sauerstoffionen-leitenden Festelektrolyten eine Vorkammer, eine Hauptkammer, eine Hilfskammer und eine Messkammer, die durch Diffusionswiderstandselemente getrennt sind, zusammen mit Pumpelektroden, die in jeder der Kammern angeordnet sind, bereitgestellt sind. Mit einem solchen Gassensor wird ein Umschalten zwischen einem Ablaufen und einem Stoppen einer Oxidationsreaktion von NH₃ zu NO, die innerhalb der Vorkammer stattfindet, durch ein Umschalten zwischen einem Ansteuern und einem Stoppen der Pumpelektroden der Vorkammer durchgeführt. Darüber hinaus werden die Gaskonzentrationen von NH₃ und NO auf der Basis einer Änderung des Pumpstroms einer Messelektrode, die aufgrund einer Differenz der Diffusionsgeschwindigkeit von NH₃ und NO von der Vorkammer in die Hauptkammer stattfindet, gemessen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
In dem Gassensor, der in der internationalen Veröffentlichung Nr. WO 2017/222002 beschrieben ist, ist es jedoch erforderlich, Messungen während des Umschaltens zwischen einem Ansteuern und einem Stoppen der Pumpelektrode bei regelmäßigen Zeitintervallen durchzuführen. Der Zeitraum des Ansteuerns oder Stoppens der Pumpelektrode, wenn die Messungen durchgeführt werden, muss ausreichend länger sein als der Zeitraum, bis die Konzentrationen der Gase innerhalb der Vorkammer, der Hauptkammer, der Hilfskammer und der Messkammer konstant werden, und ein vorgegebenes Ausmaß an Zeit ist erforderlich, bis die Messergebnisse der Gaskonzentrationen von NH₃ und NO erhalten werden. Daher besteht ein Problem dahingehend, dass die Ansprechgeschwindigkeit der Sensorausgabe in Bezug auf Änderungen der Gaskonzentrationen niedrig ist.
Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, einen Gassensor und ein Gaskonzentrationsmessverfahren bereitzustellen, die in Bezug auf die Ansprechgeschwindigkeit der Sensorausgabe bezüglich Änderungen der Gaskonzentrationen hervorragend sind.
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung ist durch einen Gassensor gekennzeichnet, der zum Messen von Konzentrationen einer Mehrzahl von Komponenten in der Gegenwart von Sauerstoff ausgebildet ist, umfassend einen Strukturkörper, der aus einem Festelektrolyten hergestellt ist, der mindestens eine Sauerstoffionenleitfähigkeit aufweist, eine Gaseinführungsöffnung, die in dem Strukturkörper ausgebildet ist und in die ein zu messendes Gas eingeführt wird, eine Vorkammer, die eine Mischpotenzialelektrode umfasst und mit der Gaseinführungsöffnung in Verbindung steht, eine Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer, die eine Hauptpumpelektrode umfasst und mit der Vorkammer in Verbindung steht, eine Messkammer, die eine Messelektrode umfasst und mit der Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer in Verbindung steht, eine Referenzelektrode, die auf einer Oberfläche des Strukturkörpers ausgebildet ist und in Kontakt mit einem Referenzgas angeordnet ist, eine Sauerstoffkonzentration-Hauptsteuereinheit, die zum Steuern der Sauerstoffkonzentration innerhalb der Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer auf der Basis einer Spannung der Hauptpumpelektrode ausgebildet ist, eine NH₃-Konzentrationsmesseinheit, die zum Erfassen eines Mischpotenzials zwischen der Referenzelektrode und der Mischpotenzialelektrode ausgebildet ist, eine NO-Konzentrationsmesseinheit, die zum Messen der NO-Konzentration innerhalb der Messkammer auf der Basis eines Pumpstroms der Messelektrode ausgebildet ist, und eine Zielkomponente-Erfassungseinheit, die zum Erfassen der NH₃-Konzentration und der NO-Konzentration innerhalb des zu messenden Gases ausgebildet ist.
Ferner ist ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung durch ein Gaskonzentrationsmessverfahren gekennzeichnet, durch das Konzentrationen einer Mehrzahl von Komponenten innerhalb eines zu messenden Gases in der Gegenwart von Sauerstoff unter Verwendung eines Gassensors gemessen werden, der mit einem Strukturkörper, der aus einem Festelektrolyten hergestellt ist, der mindestens eine Sauerstoffionenleitfähigkeit aufweist, einer Gaseinführungsöffnung, die in dem Strukturkörper ausgebildet ist und in die ein zu messendes Gas eingeführt wird, einer Vorkammer, die eine Mischpotenzialelektrode umfasst und mit der Gaseinführungsöffnung in Verbindung steht, einer Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer, die eine Hauptpumpelektrode umfasst und mit der Vorkammer in Verbindung steht, einer Messkammer, die eine Messelektrode umfasst und mit der Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer in Verbindung steht, und einer Referenzelektrode, die auf einer Oberfläche des Strukturkörpers ausgebildet ist und in Kontakt mit einem Referenzgas angeordnet ist, versehen ist, wobei das Verfahren einen Schritt des Erfassens einer NH₃-Konzentration innerhalb des zu messenden Gases durch Erfassen eines Mischpotenzials der Mischpotenzialelektrode, während der Messelektrode ein Pumpstrom zugeführt wird und der Sauerstoff innerhalb des zu messenden Gases abgegeben wird, umfasst.
Gemäß dem Gassensor und dem Gaskonzentrationsmessverfahren der vorstehend genannten Aspekte können die NH₃-Konzentration und die NO-Konzentration ohne Umschalten zwischen einem Ansteuern und Stoppen der Vorpumpelektrode in der Vorkammer gemessen werden und daher sind der Gassensor und das Gaskonzentrationsmessverfahren bezüglich der Ansprechgeschwindigkeit hervorragend.
Die vorstehende Aufgabe und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung deutlicher, wenn diese zusammen mit den beigefügten Zeichnungen gelesen wird, worin eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung durch ein veranschaulichendes Beispiel gezeigt ist.
Figurenliste

1 ist eine Querschnittsansicht, in der ein Strukturbeispiel eines Gassensors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt ist;
2 ist ein Blockdiagramm des Gassensors, der in der 1 gezeigt ist;
3 ist ein erläuterndes Diagramm, das schematisch Reaktionen zeigt, die in einem Gassensor gemäß einer ersten Ausführungsform stattfinden;
4 ist ein Flussdiagramm, das ein Gaskonzentrationsmessverfahren gemäß der ersten Ausführungsform zeigt;
5 ist ein Graph, der Messergebnisse eines Mischpotenzials in Bezug auf eine NH₃-Konzentration eines zu messenden Gases in dem Gassensor von 1 zeigt;
6 ist ein erläuterndes Diagramm, das schematisch Reaktionen zeigt, die in einem Gassensor gemäß einer zweiten Ausführungsform stattfinden; und
7 ist ein Flussdiagramm, das ein Gaskonzentrationsmessverfahren gemäß der zweiten Ausführungsform zeigt.

BESCHREIBUNG VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Ausführungsformen eines Gassensors und eines Gaskonzentrationsmessverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die 1 bis 7 dargestellt und beschrieben. In der vorliegenden Beschreibung wird der Begriff „bis“, wenn er zum Angeben eines Zahlenbereichs verwendet wird, so verwendet, dass die Zahlenwerte, die vor und nach dem Begriff angegeben sind, als unterer Grenzwert und oberer Grenzwert des Zahlenbereichs umfasst sind.
(Erste Ausführungsform)
Wie es in den 1 und 2 gezeigt ist, umfasst ein Gassensor 10 gemäß der ersten Ausführungsform ein Sensorelement 12. Das Sensorelement 12 ist mit einem Strukturkörper 14 versehen, der aus einem Sauerstoffionen-leitenden Festelektrolyten ausgebildet ist. Im Inneren des Strukturkörpers 14 sind eine Gaseinführungsöffnung 16, in die ein zu messendes Gas eingeführt wird, eine Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer 18, die mit der Gaseinführungsöffnung 16 in Verbindung steht, und eine Messkammer 20, die mit der Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer 18 in Verbindung steht, ausgebildet.
Die Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer 18 umfasst eine Hauptkammer 18a, die mit der Gaseinführungsöffnung 16 in Verbindung steht, und eine Hilfskammer 18b, die mit der Hauptkammer 18a in Verbindung steht. Die Messkammer 20 steht mit der Hilfskammer 18b in Verbindung.
Ferner umfasst der Gassensor 10 eine Vorkammer 21, die zwischen der Gaseinführungsöffnung 16 und der Hauptkammer 18a innerhalb des Strukturkörpers 14 bereitgestellt ist und die mit der Gaseinführungsöffnung 16 in Verbindung steht.
Insbesondere ist der Strukturkörper 14 des Sensorelements 12 aus sechs Schichten ausgebildet, einschließlich eine erste Substratschicht 22a, eine zweite Substratschicht 22b, eine dritte Substratschicht 22c, eine erste Festelektrolytschicht 24, eine Abstandshalterschicht 26 und eine zweite Festelektrolytschicht 28, die in dieser Reihenfolge betrachtet in der Zeichnung von einer unteren Seite angeordnet sind. Die Schichten sind jeweils aus einer Sauerstoffionen-leitenden Festelektrolytschicht, wie z.B. Zirkoniumoxid (ZrO₂) oder dergleichen, zusammengesetzt.
Zwischen einer unteren Oberfläche 28b der zweiten Festelektrolytschicht 28 und einer oberen Oberfläche 24a der ersten Festelektrolytschicht 24 auf einer distalen Endseite des Sensorelements 12 sind die Gaseinführungsöffnung 16, ein erstes Diffusionsgeschwindigkeit-Steuerelement 30, die Vorkammer 21, ein zweites Diffusionsgeschwindigkeit-Steuerelement 32, die Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer 18, ein drittes Diffusionsgeschwindigkeit-Steuerelement 34 und die Messkammer 20 bereitgestellt. Ferner ist ein viertes Diffusionsgeschwindigkeit-Steuerelement 36 zwischen der Hauptkammer 18a und der Hilfskammer 18b, welche die Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer 18 bilden, bereitgestellt.
Die Gaseinführungsöffnung 16, das erste Diffusionsgeschwindigkeit-Steuerelement 30, die Vorkammer 21, das zweite Diffusionsgeschwindigkeit-Steuerelement 32, die Hauptkammer 18a, das vierte Diffusionsgeschwindigkeit-Steuerelement 36, die Hilfskammer 18b, das dritte Diffusionsgeschwindigkeit-Steuerelement 34 und die Messkammer 20 sind angrenzend aneinander in dieser Reihenfolge in einem Zustand ausgebildet, bei dem sie miteinander in Verbindung stehen. Der Abschnitt von der Gaseinführungsöffnung 16, der zu der Messkammer 20 führt, wird auch als Gasströmungsabschnitt bezeichnet.
Die Gaseinführungsöffnung 16, die Vorkammer 21, die Hauptkammer 18a, die Hilfskammer 18b und die Messkammer 20 sind Innenräume, die in einem Zustand bereitgestellt sind, in dem sie durch die Abstandshalterschicht 26 in der Dickenrichtung hindurchtreten. Obere Abschnitte der Vorkammer 21, der Hauptkammer 18a, der Hilfskammer 18b und der Messkammer 20 sind durch die Oberfläche 28b der zweiten Festelektrolytschicht 28 festgelegt und untere Abschnitte davon sind durch die obere Oberfläche 24a der ersten Festelektrolytschicht 24 festgelegt. Ferner sind Seitenabschnitte der Vorkammer 21, der Hauptkammer 18a, der Hilfskammer 18b und der Messkammer 20 durch Seitenoberflächen der Abstandhalterschicht 26 festgelegt.
Jedwedes des ersten Diffusionsgeschwindigkeit-Steuerelements 30, des dritten Diffusionsgeschwindigkeit-Steuerelements 34 und des vierten Diffusionsgeschwindigkeit-Steuerelements 36 ist als zwei horizontal längliche Schlitze bereitgestellt (wobei Öffnungen davon eine Längsrichtung in einer Richtung senkrecht zu der Blattoberfläche der Zeichnung aufweisen). Das zweite Diffusionsgeschwindigkeit-Steuerelement 32 ist als ein horizontal länglicher Schlitz bereitgestellt (wobei eine Öffnung davon eine Längsrichtung in einer Richtung senkrecht zu der Blattoberfläche der Zeichnung aufweist).
Ferner ist ein Referenzgas-Einführungsraum 38 zwischen einer oberen Oberfläche 22c1 der dritten Substratschicht 22c und einer unteren Oberfläche 26b der Abstandshalterschicht 26 an einer Position angeordnet, die weiter von der distalen Endseite entfernt ist als der Gasströmungsabschnitt. Der Referenzgas-Einführungsraum 38 ist ein Innenraum, wobei ein oberer Teil davon durch die untere Oberfläche 26b der Abstandshalterschicht 26 festgelegt ist, ein unterer Teil davon durch die obere Oberfläche 22c1 der dritten Substratschicht 22c festgelegt ist, und ein Seitenteil davon durch eine Seitenoberfläche der ersten Festelektrolytschicht 24 festgelegt ist. Beispielsweise wird Sauerstoff oder atmosphärische Luft als Referenzgas in den Referenzgas-Einführungsraum 38 eingeführt.
Die Gaseinführungsöffnung 16 ist ein Abschnitt, der sich bezüglich des Außenraums öffnet, und das zu messende Zielgas wird von dem Außenraum durch die Gaseinführungsöffnung 16 in das Sensorelement 12 gezogen.
Das erste Diffusionsgeschwindigkeit-Steuerelement 30 ist eine Stelle, die dem zu messenden Gas, das von der Gaseinführungsöffnung 16 in die Vorkammer 21 eingeführt wird, einen vorgegebenen Diffusionswiderstand verleiht.
Die Vorkammer 21 wirkt als Raum zu Messen der NH₃-Konzentration in dem zu messenden Gas, das von der Gaseinführungsöffnung 16 eingeführt wird. Ferner wirkt die Vorkammer 21 gegebenenfalls auch als Raum zum Einstellen des Sauerstoffpartialdrucks innerhalb des zu messenden Gases. Im Inneren der Vorkammer 21 ist eine Mischpotenzialelektrode 82 bereitgestellt, die ein Mischpotenzial gemäß der NH₃-Konzentration erzeugt.
In der Mischpotenzialelektrode 82 tritt an einer Dreiphasengrenzfläche zwischen der Mischpotenzialelektrode 82, dem zu messenden Gas innerhalb der Vorkammer 21 und dem Festelektrolyten eine Oxidations-Reduktionsreaktion zwischen dem O₂ innerhalb des zu messenden Gases und dem NO oder NH₃, usw., auf, das innerhalb des zu messenden Gases vorliegt. Als Ergebnis wird eine Potenzialdifferenz (Mischpotenzial) V0, die der Konzentration von NO oder NH₃ entspricht, zwischen der Mischpotenzialelektrode 82 einer später beschriebenen Referenzelektrode 48 erzeugt.
Als Material der Mischpotenzialelektrode 82 wird vorzugsweise ein Material verwendet, das eine geringe katalytische Aktivität in Bezug auf die Reaktion zwischen NH₃ und O₂ aufweist und das eine Diffusion und ein Ausbreiten der vorstehend genannten Gaskomponenten bis zu der Dreiphasengrenzfläche ermöglicht, ohne dass das Auftreten einer Verbrennungsreaktion zwischen NH₃ und O₂ auf der Elektrodenoberfläche stattfindet. Obwohl es diesbezüglich keine spezielle Beschränkung gibt, kann dann, wenn für die Mischpotenzialelektrode 82 ein Material verwendet wird, das von NO und NH₃ eine große Änderung des Mischpotenzials V0 in Bezug auf eine Änderung der Konzentration von NH₃ und eine kleine Änderung des Mischpotenzials V0 in Bezug auf eine Änderung der Konzentration von NO aufweist, die NH₃-Konzentration innerhalb des zu messenden Gases einfach bestimmt werden.
Spezifische Beispiele für Materialien für die Mischpotenzialelektrode 82 umfassen eine Au (Gold)-Pt(Platin)-Legierung, eine Ni (Nickel)-Legierung, eine Co (Kobalt)-Legierung und dergleichen. Ferner können z.B. Oxide, die eines oder eine Mehrzahl von V (Vanadium), W (Wolfram) und Mo (Molybdän) enthalten, und Mischoxide verwendet werden, die durch Zusetzen eines Additivs zum Erhöhen der Erfassungsselektivität in Bezug auf NH₃ hergestellt werden, verwendet werden. Als spezifische Beispiele für solche Oxide kann eines von Bismutvanadiumoxid (BiVO₄) oder Kupfervanadiumoxid (Cu₂(VO₃)₂) verwendet werden.
In dem Fall der Verwendung einer Au-Pt-Legierung für die Mischpotenzialelektrode 82 wird, wenn eine solche Legierung mit einer Konzentration (Atomprozentsatz) von Au auf der Oberfläche des Mischpotenzialelektrode 82 verwendet wird, die größer als oder gleich 30 Atom-% ist, das Mischpotenzial V0 in einer geeigneten Weise groß. Eine solche Mischpotenzialelektrode 82, die aus einer Au-Pt-Legierung hergestellt ist, kann z.B. durch Aufbringen einer Paste aus einer Au-Pt-Legierung in der Vorkammer 21 und danach Laminieren eines Festelektrolyten, der den Strukturkörper 14 bildet, und Brennen der aufgebrachten Paste zusammen mit dem Festelektrolyten hergestellt werden. Dabei wird, wenn die Herstellungszusammensetzungsmenge von Au, die in der Au-Pt-Legierung enthalten ist, 1 bis 10 % beträgt, die vorstehend genannte Au-Konzentration, bei welcher der Atomprozentsatz von Au, der mittels XPS (Röntgenphotoelektronenspektroskopie) gemessen wird, 30 Atom-% beträgt, in einer geeigneten Weise auf der Oberfläche der Mischpotenzialelektrode 82 erhalten.
Eine Vorpumpzelle 80 ist eine elektrochemische Pumpzelle, die aus der Mischpotenzialelektrode 82, die im Wesentlichen über der Gesamtheit der unteren Oberfläche 28b der zweiten Festelektrolytschicht 28 bereitgestellt ist, die auf die Vorkammer 21 gerichtet ist, einer Außenseite-Pumpelektrode 44 und der zweiten Festelektrolytschicht 28 ausgebildet ist.
Die Vorpumpzelle 80 kann durch Anlegen einer gewünschten Vorpumpspannung Vp0 zwischen der Mischpotenzialelektrode 82 und der Außenseite-Pumpelektrode 44 Sauerstoff innerhalb der Atmosphäre innerhalb der Vorkammer 21 in den Außenraum pumpen oder kann alternativ Sauerstoff von dem Außenraum in die Vorkammer 21 pumpen.
Darüber hinaus wird die Messung der NH₃-Konzentration und der NO-Konzentration in der ersten Ausführungsform ohne Betreiben der Vorpumpzelle 80 durchgeführt. Demgemäß ist in der vorliegenden Ausführungsform die Vorpumpzelle 80 eine nicht-essentielle Komponente. Die Vorpumpzelle 80 wird in dem Messverfahren der zweiten Ausführungsform, die später beschrieben wird, betrieben.
Der Gassensor 10 umfasst eine Mischpotenzialsensorzelle 84 zum Erfassen von NH₃ zum Durchführen einer Erfassung der Konzentration von NH₃ innerhalb der Atmosphäre innerhalb der Vorkammer 21. Die Mischpotenzialsensorzelle 84 umfasst die Mischpotenzialelektrode 82, die Referenzelektrode 48, die zweite Festelektrolytschicht 28, die Abstandshalterschicht 26 und die erste Festelektrolytschicht 24. Die Mischpotenzialsensorzelle 84 erfasst als Mischpotenzial V0 eine Potenzialdifferenz zwischen einem Potenzial, das durch die Reaktion zwischen NH₃ und Sauerstoff innerhalb der Atmosphäre innerhalb der Vorkammer 21 erzeugt wird, und dem Potenzial der Referenzelektrode 48.
Die Vorkammer 21 wirkt auch als Pufferraum. Insbesondere können Fluktuationen der Konzentration des zu messenden Gases, die in dem Außenraum auftreten, aufgehoben werden. Als solche Druckfluktuationen des zu messenden Gases kann z.B. ein Pulsieren oder dergleichen des Abgasdrucks eines Kraftfahrzeugabgases genannt werden.
Das zweite Diffusionsgeschwindigkeit-Steuerelement 32 ist eine Stelle, die dem zu messenden Gas, das von der Vorkammer 21 in die Hauptkammer 18a eingeführt wird, einen vorgegebenen Diffusionswiderstand verleiht.
Die Hauptkammer 18a ist als Raum zum Einstellen eines Sauerstoffpartialdrucks innerhalb des zu messenden Gases, das von der Gaseinführungsöffnung 16 eingeführt wird, bereitgestellt. Der Sauerstoffpartialdruck wird durch den Betrieb einer Hauptpumpzelle 40 eingestellt.
Die Hauptpumpzelle 40 umfasst eine elektrochemische Pumpzelle, die auch als eine elektrochemische Hauptpumpzelle bezeichnet wird, die aus einer Hauptpumpelektrode 42, der Außenseite-Pumpelektrode 44 und einem Sauerstoffionen-leitenden Festelektrolyten, der sandwichartig zwischen den zwei Pumpelektroden angeordnet ist, ausgebildet ist. Die Hauptpumpelektrode 42 ist im Wesentlichen jeweils über den gesamten Oberflächen der oberen Oberfläche 24a der ersten Festelektrolytschicht 24, der unteren Oberfläche 28b der zweiten Festelektrolytschicht 28 und den Seitenoberflächen der Abstandshalterschicht 26, welche die Hauptkammer 18a festlegen, ausgebildet. Die Außenseite-Pumpelektrode 44 ist auf der oberen Oberfläche 28a der zweiten Festelektrolytschicht 28 ausgebildet. Die Position der Außenseite-Pumpelektrode 44 ist vorzugsweise in einem Bereich, welcher der Hauptpumpelektrode 42 entspricht, in einem Zustand angeordnet, bei dem sie zu einem Außenseitenraum freiliegt. Die Hauptpumpelektrode 42 und die Außenseite-Pumpelektrode 44 können in der Draufsicht z.B. als rechteckige poröse Cermetelektroden ausgebildet sein.
Die Hauptpumpelektrode 42 ist vorzugsweise aus einem Material mit einem abgeschwächten Reduktionsvermögen in Bezug auf die Stickstoffoxid (NOx)-Komponente innerhalb des zu messenden Gases hergestellt. Ferner ist die Hauptpumpelektrode 42 vorzugsweise aus einem Material hergestellt, das ein Vermögen zum Oxidieren des NH₃ innerhalb des zu messenden Gases aufweist. Insbesondere kann z.B. eine Cermetelektrode aus ZrO₂ und einem Edelmetall, wie z.B. Pt (Platin), das 0,1 Gew.-% bis 1 Gew.-% Au (Gold) enthält, verwendet werden. Es sollte beachtet werden, dass dann, wenn die Konzentration von Au höher als der vorstehend genannte Wert ist, das Vermögen der Hauptpumpelektrode 42 zum Bewirken einer Oxidation in Bezug auf NH₃ abnimmt, so dass es unwahrscheinlich ist, dass die Reaktion des Umwandelns von NH₃ zu NO in der Hauptkammer 18a abläuft.
Die Hauptpumpzelle 40 legt eine erste Pumpspannung Vp1 mittels einer ersten variablen Stromquelle 46 an, die außerhalb des Sensorelements 12 bereitgestellt ist. Als Ergebnis kann durch einen ersten Pumpstrom Ip1, der zwischen der Außenseite-Pumpelektrode 44 und die Hauptpumpelektrode 42 fließt, der O₂ innerhalb der Hauptkammer 18a hinausgepumpt werden, oder alternativ kann der O₂ in dem Außenraum in die Hauptkammer 18a hineingepumpt werden.
Ferner umfasst das Sensorelement 12 eine erste Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle 50, die eine elektrochemische Sensorzelle ist. Die erste Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle 50 umfasst die Hauptpumpelektrode 42, die Referenzelektrode 48 und die Sauerstoffionen-leitende erste Festelektrolytschicht 24, die sandwichartig zwischen diesen Elektroden angeordnet ist. Die Referenzelektrode 48 ist eine Elektrode, die zwischen der ersten Festelektrolytschicht 24 und der dritten Substratschicht 22c ausgebildet ist, und ist aus dem gleichen porösen Cermet wie die Außenseite-Pumpelektrode 44 hergestellt.
Die Referenzelektrode 48 ist in der Draufsicht mit einer rechteckigen Form ausgebildet. Ferner ist in der Umgebung der Referenzelektrode 48 eine Referenzgas-Einführungsschicht 52 bereitgestellt, die aus porösem Aluminiumoxid hergestellt ist und mit dem Referenzgas-Einführungsraum 38 verbunden ist. Das Referenzgas in dem Referenzgas-Einführungsraum 38 wird über die Referenzgas-Einführungsschicht 52 zu der Oberfläche der Referenzelektrode 48 eingeführt. Die erste Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle 50 erzeugt eine erste elektromotorische Kraft V1 zwischen der Hauptpumpelektrode 42 und der Referenzelektrode 48, die durch die Differenz bei der Sauerstoffkonzentration zwischen der Atmosphäre innerhalb der Hauptkammer 18a und dem Referenzgas in dem Referenzgas-Einführungsraum 38 erzeugt wird.
Die erste elektromotorische Kraft V1, die in der ersten Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle 50 erzeugt wird, ändert sich abhängig von dem Sauerstoffpartialdruck der Atmosphäre, die in der Hauptkammer 18a vorliegt. Gemäß der vorstehend genannten ersten elektromotorischen Kraft V1 regelt das Sensorelement 12 die erste variable Stromquelle 46 der Hauptpumpzelle 40. Folglich kann die erste Pumpspannung Vp1, die durch die erste variable Stromquelle 46 angelegt wird, gemäß dem Sauerstoffpartialdruck der Atmosphäre in der Hauptkammer 18a gesteuert werden.
Darüber hinaus gibt der Pumpstrom Ip1, der durch die erste variable Stromquelle 46 der Hauptpumpelektrode 42 zugeführt wird, die Menge von O₂ wieder, die aus der Hauptkammer 18a hinausgepumpt wird oder die in die Hauptkammer 18a hineingepumpt wird. Demgemäß gibt unter einer Bedingung, bei der die erste elektromotorische Kraft V1 so betrieben wird, dass sie konstant bleibt, der erste Pumpstrom Ip1 der Hauptpumpelektrode 42 durch die erste variable Stromquelle 46 die Konzentration von O₂ innerhalb des zu messenden Gases wieder. Daher kann die Konzentration von Sauerstoff innerhalb des zu messenden Gases durch Erfassen des ersten Pumpstroms Ip1 erhalten werden. Wie es später beschrieben wird, wird die Sauerstoffkonzentration innerhalb des zu messenden Gases zum Korrigieren einer Sauerstoffkonzentrationsabhängigkeit des Mischpotenzials verwendet.
Das vierte Diffusionsgeschwindigkeit-Steuerelement 36 ist eine Stelle, die dem zu messenden Gas einen vorgegebenen Diffusionswiderstand verleiht, wobei dessen Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffpartialdruck) durch den Betrieb der Hauptpumpzelle 40 innerhalb der Hauptkammer 18a gesteuert wird, und leitet das zu messende Gas in die Hilfskammer 18b.
Die Hilfskammer 18b ist als Raum zum weiteren Durchführen einer Einstellung des Sauerstoffpartialdrucks durch eine Hilfspumpzelle 54 in Bezug auf das zu messende Gas bereitgestellt, das durch das vierte Diffusionsgeschwindigkeit-Steuerelement 36 eingeführt wird, nachdem die Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffpartialdruck) im Vorhinein in der Hauptkammer 18a eingestellt worden ist. Gemäß diesem Merkmal kann die Sauerstoffkonzentration innerhalb der Hilfskammer 18b genau konstant hoch gehalten werden und die NOx-Konzentration kann mit einer hohen Genauigkeit gemessen werden.
Die Hilfspumpzelle 54 ist eine elektrochemische Pumpzelle und ist aus einer Hilfspumpelektrode 56, die im Wesentlichen über der Gesamtheit der unteren Oberfläche 28b der zweiten Festelektrolytschicht 28 bereitgestellt ist, die auf die Hilfskammer 18b gerichtet ist, der Außenseite-Pumpelektrode 44 und der zweiten Festelektrolytschicht 28 ausgebildet. Darüber hinaus ist in der gleichen Weise wie die Hauptpumpelektrode 42 die Hilfspumpelektrode 56 ebenfalls unter Verwendung eines Materials ausgebildet, welches das Reduktionsvermögen in Bezug auf die NOx-Komponente innerhalb des zu messenden Gases abschwächt.
Die Hilfspumpzelle 54 kann durch Anlegen einer gewünschten zweiten Pumpspannung Vp2 zwischen der Hilfspumpelektrode 56 und der Außenseite-Pumpelektrode 44 Sauerstoff innerhalb der Atmosphäre innerhalb der Hilfskammer 18b in den Außenraum hinauspumpen oder kann alternativ Sauerstoff von dem Außenraum in die Hilfskammer 18b hineinpumpen.
Ferner ist zum Steuern des Sauerstoffpartialdrucks innerhalb der Atmosphäre innerhalb der Hilfskammer 18b eine elektrochemische Sensorzelle aus der Hilfspumpelektrode 56, der Referenzelektrode 48, der zweiten Festelektrolytschicht 28, der Abstandshalterschicht 26 und der ersten Festelektrolytschicht 24 ausgebildet. Insbesondere ist eine zweite Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle 58 zum Steuern der Hilfspumpe in dieser Weise ausgebildet.
Die zweite Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle 58 erzeugt eine zweite elektromotorische Kraft V2 zwischen der Hilfspumpelektrode 56 und der Referenzelektrode 48, die durch eine Differenz bei der Sauerstoffkonzentration zwischen der Atmosphäre innerhalb der Hilfskammer 18b und dem Referenzgas in dem Referenzgas-Einführungsraum 38 verursacht wird. Die zweite elektromotorische Kraft V2, die in der zweiten Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle 58 erzeugt wird, ändert sich abhängig von dem Sauerstoffpartialdruck der Atmosphäre, die in der Hilfskammer 18b vorliegt.
Auf der Basis der vorstehend genannten zweiten elektromotorischen Kraft V2 führt das Sensorelement 12 ein Pumpen der Hilfspumpzelle 54 durch Steuern der zweiten variablen Stromquelle 60 durch. Folglich wird der Sauerstoffpartialdruck innerhalb der Atmosphäre innerhalb der Hilfskammer 18b so gesteuert, dass er ein niedriger Partialdruck wird, der die Messung von NOx nicht wesentlich beeinflusst.
Ferner wird ein zweiter Pumpstrom Ip2 der Hilfspumpzelle 54 so verwendet, dass er die zweite elektromotorische Kraft V2 der zweiten Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle 58 steuert. Insbesondere wird der zweite Pumpstrom Ip2 als Steuersignal in die zweite Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle 58 eingespeist. Als Ergebnis wird die zweite elektromotorische Kraft V2 gesteuert und der Gradient des Sauerstoffpartialdrucks innerhalb des zu messenden Gases, das durch das vierte Diffusionsgeschwindigkeit-Steuerelement 36 in die Hilfskammer 18b eingeführt wird, wird so gesteuert, dass er stets konstant bleibt. Wenn der Gassensor 10 als NOx-Sensor verwendet wird, wird durch die Wirkungen der Hauptpumpzelle 40 und der Hilfspumpzelle 54 die Sauerstoffkonzentration innerhalb der Hilfskammer 18b mit einer hohen Genauigkeit für jede der jeweiligen Bedingungen bei einem vorgegebenen Wert aufrechterhalten.
Das dritte Diffusionsgeschwindigkeit-Steuerelement 34 ist eine Stelle, die dem zu messenden Gas einen vorgegebenen Diffusionswiderstand verleiht, dessen Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffpartialdruck) durch den Betrieb der Hilfspumpzelle 54 in der Hilfskammer 18b gesteuert wird, und leitet das zu messende Gas in die Messkammer 20.
Die Messung der NOx-Konzentration wird in erster Linie durch den Betrieb einer Messpumpzelle 61 durchgeführt, die in der Messkammer 20 bereitgestellt ist. Die Messpumpzelle 61 ist eine elektrochemische Pumpzelle, die aus einer Messelektrode 62, der Außenseite-Pumpelektrode 44, der zweiten Festelektrolytschicht 28, der Abstandshalterschicht 26 und der ersten Festelektrolytschicht 24 ausgebildet ist. Die Messelektrode 62 ist z.B. auf der oberen Oberfläche 24a der ersten Festelektrolytschicht 24 innerhalb der Messkammer 20 bereitgestellt und ist aus einem Material ausgebildet, dessen Reduktionsvermögen in Bezug auf die NOx-Komponente innerhalb des zu messenden Gases höher ist als dasjenige der Hauptpumpelektrode 42. Die Messelektrode 62 kann z.B. eine poröse Cermetelektrode sein. Ferner wird für die Messelektrode 62 vorzugsweise ein Material verwendet, das auch als NOx-Reduktionskatalysator zum Reduzieren von NOx wirkt, das innerhalb der Atmosphäre vorliegt.
Die Messpumpzelle 61 erzeugt Sauerstoff durch Zersetzen von Stickstoffoxid in der Umgebung der Messelektrode 62 innerhalb der Messkammer 20. Ferner kann die Messpumpzelle 61 den Sauerstoff, der an der Messelektrode 62 erzeugt wird, pumpen und die erzeugte Menge an Sauerstoff als Messpumpstrom Ip3 oder anders gesagt als Sensorausgabe erfassen.
Ferner ist zum Erfassen des Sauerstoffpartialdrucks in der Umgebung der Messelektrode 62 innerhalb der Messkammer 20 eine elektrochemische Sensorzelle und insbesondere eine dritte Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle 66 zum Steuern der Messpumpe aus der ersten Festelektrolytschicht 24, der Messelektrode 62 und der Referenzelektrode 48 ausgebildet. Eine dritte variable Stromquelle 68 wird auf der Basis einer dritten elektromotorischen Kraft V3 gesteuert, die durch die dritte Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle 66 erfasst wird.
Das zu messende Gas, das in die Hilfskammer 18b eingeführt wird, erreicht die Messelektrode 62 innerhalb der Messkammer 20 durch das dritte Diffusionsgeschwindigkeit-Steuerelement 34 unter einer Bedingung, bei welcher der Sauerstoffpartialdruck gesteuert wird. NO, das innerhalb des zu messenden Gases in der Umgebung der Messelektrode 62 vorliegt, wird reduziert, wodurch Sauerstoff erzeugt wird. In diesem Fall wird der erzeugte Sauerstoff einem Pumpen durch die Messpumpzelle 61 unterzogen. Dabei wird eine dritte Pumpspannung Vp3 der dritten variablen Stromquelle 68 in einer Weise gesteuert, so dass die dritte elektromotorische Kraft V3, die durch die dritte Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle 66 erfasst wird, konstant wird. Die Menge an Sauerstoff, die in der Umgebung der Messelektrode 62 erzeugt wird, ist proportional zu der Konzentration von NO innerhalb des zu messenden Gases. Demgemäß kann die NO-Konzentration innerhalb des zu messenden Gases unter Verwendung des Messpumpstroms Ip3 der Messpumpzelle 61 berechnet werden. Insbesondere bildet die Messpumpzelle 61 eine NO-Konzentrationsmesseinheit 104, welche die Konzentration einer festgelegten Komponente (NO) innerhalb der Messkammer 20 misst.
Ferner umfasst der Gassensor 10 eine elektrochemische Sensorzelle 70. Die Sensorzelle 70 ist aus der zweiten Festelektrolytschicht 28, der Abstandshalterschicht 26, der ersten Festelektrolytschicht 24, der dritten Substratschicht 22c, der Außenseite-Pumpelektrode 44 und der Referenzelektrode 48 ausgebildet. Gemäß der elektromotorischen Kraft Vref, die durch die Sensorzelle 70 erhalten wird, kann der Sauerstoffpartialdruck innerhalb des zu messenden Gases, das außerhalb des Sensors vorliegt, gemessen werden.
Ferner ist in dem Sensorelement 12 eine Heizeinrichtung 72 in einer Weise ausgebildet, dass sie von oben und unten zwischen der zweiten Substratschicht 22b und der dritten Substratschicht 22c sandwichartig angeordnet ist. Die Heizeinrichtung 72 erzeugt dadurch Wärme, dass sie durch eine nicht gezeigte Heizeinrichtungselektrode von außen mit Leistung versorgt wird, die auf einer unteren Oberfläche 22a2 der ersten Substratschicht 22a bereitgestellt ist. Als Ergebnis der Wärme, die durch die Heizeinrichtung 72 erzeugt wird, wird die Sauerstoffionenleitfähigkeit des Festelektrolyten, der das Sensorelement 12 bildet, erhöht. Die Heizeinrichtung 72 ist über dem gesamten Bereich der Vorkammer 21, der Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer 18 und der Messkammer 20 eingebettet und eine vorgegebene Stelle des Sensorelements 12 kann erwärmt und bei einer vorgegebenen Temperatur gehalten werden. Darüber hinaus ist eine Heizeinrichtungsisolierschicht 74, die aus Aluminiumoxid oder dergleichen ausgebildet ist, oberhalb und unterhalb der Heizeinrichtung 72 ausgebildet, um eine elektrische Isolierung derselben von der zweiten Substratschicht 22b und der dritten Substratschicht 22c zu erreichen. Nachstehend können die Heizeinrichtung 72, die Heizeinrichtungselektrode und die Heizeinrichtungsisolierschicht 74 zusammen auch als Heizeinrichtungsabschnitt bezeichnet werden.
Die Heiztemperatur des Sensorelements 12 durch die Heizeinrichtungseinheit kann z.B. 500 bis 900 °C betragen. Im Hinblick auf die Erhöhung der Messgenauigkeit von NH₃ durch die Mischpotenzialelektrode 82 ist es bevorzugt, die Temperatur des Sensorelements 12 so niedrig wie möglich innerhalb des vorstehend genannten Temperaturbereichs einzustellen.
Wenn andererseits die Temperatur des Sensorelements 12 zu niedrig ist, werden die Zersetzungsreaktion von NO innerhalb der Messkammer 20 und das Ausgeben des Messpumpstroms Ip3 der Messelektrode 62 selbst vermindert. Demgemäß wird die Erwärmungstemperatur des Sensorelements 12 innerhalb des Bereichs, in dem die Sensorausgabe des Messpumpstroms Ip3 erfasst werden kann, vorzugsweise so niedrig wie möglich eingestellt. Wie es aus dem Vorstehenden ersichtlich ist, kann dann, wenn die Temperatur des Sensorelements 12 innerhalb des Bereichs von 700 bis 800 °C eingestellt wird, eine große Sensorausgabe erhalten werden und das Sensorelement 12 arbeitet in einer geeigneten Weise.
Ferner umfasst, wie es schematisch in der 2 gezeigt ist, der Gassensor 10 eine Sauerstoffkonzentration-Steuereinheit 100 (Sauerstoffkonzentration-Hauptsteuereinheit), welche die Sauerstoffkonzentration innerhalb der Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer 18 steuert, eine Temperatursteuereinheit 102, welche die Temperatur des Sensorelements 12 steuert, die NO-Konzentrationsmesseinheit 104, eine Einheit zum Steuern der vorläufigen Sauerstoffkonzentration 106, eine NH₃-Konzentrationsmesseinheit 108 und eine Zielkomponente-Erfassungseinheit 110.
Darüber hinaus sind die Sauerstoffkonzentration-Steuereinheit 100, die Temperatursteuereinheit 102, die NO-Konzentrationsmesseinheit 104, die Einheit zum Steuern der vorläufigen Sauerstoffkonzentration 106, die NH₃-Konzentrationsmesseinheit 108 und die Zielkomponente-Erfassungseinheit 110 aus einer oder mehreren elektronischen Schaltung(en) aufgebaut, die beispielsweise eine oder eine Mehrzahl von CPU(s) (zentrale Verarbeitungseinheit(en)), Speichervorrichtungen und dergleichen aufweisen. Die elektronischen Schaltungen sind softwarebasierte funktionelle Einheiten, in denen vorgegebene Funktionen realisiert sind, wie z.B. durch die CPUs, die Programme ausführen, die in einer Speichervorrichtung gespeichert sind. Selbstverständlich können die elektronischen Schaltungen durch eine integrierte Schaltung ausgebildet sein, wie z.B. ein FPGA (feldprogrammierbares Gatterfeld), in der die Mehrzahl von elektronischen Schaltungen gemäß deren Funktionen verbunden ist.
Wie es vorstehend beschrieben ist, wird dadurch, dass er mit der Vorkammer 21, der Einheit zum Steuern der vorläufigen Sauerstoffkonzentration 106, der NH₃-Konzentrationsmesseinheit 108 und der Zielkomponente-Erfassungseinheit 110 zusätzlich zu der vorstehend genannten Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer 18, der Sauerstoffkonzentration-Steuereinheit 100, der Temperatursteuereinheit 102 und der NO-Konzentrationsmesseinheit 104 versehen ist, der Gassensor 10 dazu befähigt, die Konzentrationen von NO und NH₃ zu erfassen.
Auf der Basis der voreingestellten Sauerstoffkonzentrationsbedingung und der ersten elektromotorischen Kraft V1, die in der ersten Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle 50 erzeugt wird (vgl. die 1), regelt die Sauerstoffkonzentration-Steuereinheit 100 die erste variable Stromquelle 46 und stellt die Sauerstoffkonzentration innerhalb der Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer 18 auf eine Konzentration gemäß der vorstehend beschriebenen Bedingung ein.
Die Temperatursteuereinheit 102 regelt die Heizeinrichtung 72 auf der Basis einer voreingestellten Sensortemperaturbedingung und des gemessenen Werts von einem Temperatursensor (nicht gezeigt), der die Temperatur des Sensorelements 12 misst, wodurch die Temperatur des Sensorelements 12 auf eine Temperatur gemäß der vorstehend genannten Bedingung eingestellt wird.
Durch die Sauerstoffkonzentration-Steuereinheit 100 oder die Temperatursteuereinheit 102 oder alternativ durch die Sauerstoffkonzentration-Steuereinheit 100 und die Temperatursteuereinheit 102 steuert der Gassensor 10 den Zustand innerhalb der Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer 18, so dass das gesamte NH₃ zu NO umgewandelt wird, ohne eine Zersetzung von NO innerhalb der Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer 18 zu verursachen. Ferner wird das NO₂ innerhalb des zu messenden Gases innerhalb der Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer 18 zu NO reduziert.
Die NO-Konzentrationsmesseinheit 104 misst den Messpumpstrom Ip3 der Messelektrode 62 als eine erste Sensorausgabe.
Die Einheit zum Steuern der vorläufigen Sauerstoffkonzentration 106 regelt gegebenenfalls eine variable Vorstromquelle 86, so dass der erste Pumpstrom Ip1 der Hauptpumpzelle 40 der voreingestellte Wert wird, wodurch die Sauerstoffkonzentration innerhalb der Vorkammer 21 auf eine Konzentration gemäß der Bedingung eingestellt wird. Darüber hinaus wird in der ersten Ausführungsform eine solche Messung ohne Betreiben der Einheit zum Steuern der vorläufigen Sauerstoffkonzentration 106 durchgeführt.
Die NH₃-Konzentrationsmesseinheit 108 misst das Mischpotenzial der Mischpotenzialelektrode 82 als eine zweite Sensorausgabe.
Darüber hinaus erfasst die Zielkomponente-Erfassungseinheit 110 die Konzentrationen von NO und NH₃ innerhalb des zu messenden Gases auf der Basis der ersten Sensorausgabe der NO-Konzentrationsmesseinheit 104 und der zweiten Sensorausgabe der NH₃-Konzentrationsmesseinheit 108.
Das Mischpotenzial der Mischpotenzialelektrode 82 der vorliegenden Ausführungsform wird in erster Linie durch eine Reaktion zwischen Sauerstoff und NH₃ innerhalb des zu messenden Gases erzeugt. Daher fluktuiert das Mischpotenzial nicht nur aufgrund der Konzentration von NH₃, sondern auch aufgrund der Konzentration von Sauerstoff. Folglich erhält die Zielkomponente-Erfassungseinheit 110 die Sauerstoffkonzentration in dem zu messenden Gas auf der Basis des ersten Pumpstroms Ip1 der Hauptpumpzelle 40. Darüber hinaus bezieht sich die Zielkomponente-Erfassungseinheit 110 auf ein Kennfeld 112, das mittels vorher durchgeführter Messungen erhalten wurde und in dem Daten in Bezug auf die Sauerstoffkonzentrationsabhängigkeit des Mischpotenzials enthalten sind. In dem Kennfeld 112 sind Daten in Bezug auf eine Korrelation zwischen dem Mischpotenzial und der NH₃-Konzentration und der Sauerstoffkonzentrationsabhängigkeit einer solchen Korrelation enthalten. Auf der Basis der zweiten Sensorausgabe und der Sauerstoffkonzentration innerhalb des zu messenden Gases und unter Bezugnahme auf das Kennfeld 112 korrigiert die Zielkomponente-Erfassungseinheit 110 jedwede Fehler aufgrund der Sauerstoffkonzentration und bestimmt dadurch die NH₃-Konzentration in dem zu messenden Gas.
Ferner misst die Zielkomponente-Erfassungseinheit 110 die NO-Konzentration innerhalb der Messkammer 20 von der ersten Sensorausgabe der NO-Konzentrationsmesseinheit 104. Dann wird die Konzentration von NO in dem zu messenden Gas durch Subtrahieren der Konzentration von NH₃ in dem zu messenden Gas, die durch eine Bezugnahme auf das Kennfeld 112 bestimmt wird, von der Konzentration von NO innerhalb der Messkammer 20 bestimmt.
Als nächstes wird eine Beschreibung unter Bezugnahme auf die 3 dargelegt, die chemische Reaktionen des zu messenden Gases betrifft, die innerhalb des Gassensors 10 stattfinden.
Wie es in der 3 gezeigt ist, reagiert ein kleiner Teil des zu messenden Gases, der durch die Gaseinführungsöffnung 16 in die Vorkammer 21 eingeführt wird, auf der Oberfläche der Mischpotenzialelektrode 82, wodurch bewirkt wird, dass das Mischpotenzial V0 an der Mischpotenzialelektrode 82 erzeugt wird. Da die Menge von Gaskomponenten, die zur Erzeugung des Mischpotenzials V0 beitragen, gering ist, unterliegen die Konzentrationen von NO, NH₃ und Sauerstoff in dem zu messenden Gas nahezu keiner Änderung in der Vorkammer 21.
Der Sauerstoff innerhalb des zu messenden Gases, der von der Vorkammer 21 in die Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer 18 geströmt ist, wird durch die Hauptpumpzelle 40 hinausgepumpt und auf einen vorgegebenen Sauerstoffpartialdruck eingestellt. Ferner bewirkt das NH₃ innerhalb des zu messenden Gases, dass eine Reaktion stattfindet, in der eine Oxidation von NH₃ zu NO innerhalb der Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer 18 stattfindet, und das gesamte NH₃ innerhalb der Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer 18 wird in NO umgewandelt. Ferner werden Stickstoffoxide, wie z.B. NO₂ und dergleichen, in NO umgewandelt.
Danach strömt das NO innerhalb der Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer 18 in die Messkammer 20 und dessen NO-Konzentration wird als der Messpumpstrom Ip3 erfasst, der durch die Messpumpzelle 61 fließt.
Als nächstes wird eine Beschreibung unter Bezugnahme auf das Flussdiagramm von 4 dargelegt, das ein Verfahren des Messens der NO- und NH₃-Konzentrationen innerhalb des zu messenden Gases in dem Gassensor 10 betrifft.
Zuerst führt in dem Schritt S10 der Gassensor 10 ein zu messendes Gas, in dem O₂ , NO und NH₃ gemischt sind, durch die Gaseinführungsöffnung 16 in die Vorkammer 21 ein.
Als nächstes steuert in dem Schritt S12 die Sauerstoffkonzentration-Steuereinheit 100 die Sauerstoffkonzentration in der Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer 18 derart, dass sie bei einem vorgegebenen konstanten Wert bleibt. Wie es vorstehend beschrieben ist, wird innerhalb der Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer 18 die Gesamtheit des NOx und des NH₃ in NO umgewandelt und es wird ein Betrieb zum Hinauspumpen von überschüssigem Sauerstoff durchgeführt, der die Messung der NO-Konzentration stört. Dabei erfasst die Sauerstoffkonzentration-Steuereinheit 100 die erste elektromotorische Kraft V1, welche die Sensorausgabe der ersten Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle 50 ist. Darüber hinaus regelt die Sauerstoffkonzentration-Steuereinheit 100 den Wert des Pumpstroms Ip1 zu der Hauptpumpelektrode 42 der Hauptpumpzelle 40 in einer Weise, so dass die erste elektromotorische Kraft V1 ein konstanter Wert wird. Danach wird die Steuerung des Pumpstroms Ip1 durch die Sauerstoffkonzentration-Steuereinheit 100 fortgesetzt, während die Messung durch den Gassensor 10 durchgeführt wird.
Im Schritt S14 erfasst die NH₃-Konzentrationsmesseinheit 108 das Mischpotenzial V0, das eine Potenzialdifferenz zwischen der Mischpotenzialelektrode 82 und der Referenzelektrode 48 ist. Das Messergebnis (zweite Sensorausgabe) des Mischpotenzials V0 wird in die Zielkomponente-Erfassungseinheit 110 eingespeist.
Im Schritt S16 erfasst die Zielkomponente-Erfassungseinheit 110 den ersten Pumpstrom Ip1 der Sauerstoffkonzentration-Steuereinheit 100 und misst die Sauerstoffkonzentration innerhalb des zu messenden Gases. Die Zielkomponente-Erfassungseinheit 110 misst die Sauerstoffkonzentration innerhalb des zu messenden Gases durch eine Bezugnahme auf das Kennfeld 112, das die Korrelation zwischen dem ersten Pumpstrom Ip1 und der Sauerstoffkonzentration innerhalb des zu messenden Gases repräsentiert.
Im Schritt S18 erfasst die Zielkomponente-Erfassungseinheit 110 die NH₃-Konzentration innerhalb des zu messenden Gases. Die Zielkomponente-Erfassungseinheit 110 misst die NH₃-Konzentration innerhalb des zu messenden Gases durch eine Bezugnahme auf das Kennfeld 112, in dem eine Korrelation zwischen dem Mischpotenzial und der NH₃-Konzentration, und Daten, welche die Sauerstoffkonzentrationsabhängigkeit einer solchen Korrelation repräsentieren, die im Vorhinein experimentell erhalten worden sind, gespeichert sind. Folglich wird jedweder Fehler in dem Mischpotenzial aufgrund der Sauerstoffkonzentration korrigiert.
Im Schritt S20 erfasst die NO-Konzentrationsmesseinheit 104 den Wert (erste Sensorausgabe) des Messpumpstroms Ip3 der Messpumpzelle 61.
Im Schritt S22 erfasst die Zielkomponente-Erfassungseinheit 110 die NO-Konzentration innerhalb des zu messenden Gases. In diesem Fall umfasst das Kennfeld 112 Daten, welche die Korrelation, die im Vorhinein experimentell erhalten worden ist, zwischen dem Messpumpstrom Ip3 und der NO-Konzentration repräsentieren. Auf der Basis des Werts des Messpumpstroms Ip3 der Messpumpzelle 61, der im Schritt S20 erfasst worden ist, bezieht sich die Zielkomponente-Erfassungseinheit 110 auf das Kennfeld 112 und erfasst die NO-Konzentration innerhalb der Atmosphäre innerhalb der Messkammer 20. Als nächstes erfasst die Zielkomponente-Erfassungseinheit 110 die NO-Konzentration innerhalb des zu messenden Gases durch Subtrahieren der NO-Konzentration, die von der im Schritt S18 bestimmten NH₃-Konzentration abgeleitet ist, von der NO-Konzentration innerhalb der Atmosphäre innerhalb der Messkammer 20.
Gemäß dem vorstehenden Verfahren werden die Konzentrationen von NO und NH₃ innerhalb des zu messenden Gases bestimmt. Danach wird im Schritt S24 eine Bestimmung durchgeführt, ob die Zielkomponente-Erfassungseinheit 110 mit der Durchführung der Messung fortfahren soll. Wenn im Schritt S24 bestimmt wird, dass die Zielkomponente-Erfassungseinheit 110 die Durchführung der Messung fortsetzen soll, fährt das Verfahren zu dem Schritt S14 fort und die Messung der Konzentrationen von NO und NH₃ wird fortgesetzt. Wenn andererseits im Schritt S24 bestimmt wird, dass die Zielkomponente-Erfassungseinheit 110 die Messung beenden soll, wird das Messverfahren, das durch den Gassensor 10 durchgeführt wird, beendet.
(Experimentelles Beispiel)
Es wird ein experimentelles Beispiel beschrieben, bei dem in dem Gassensor 10 der vorliegenden Ausführungsform ein zu messendes Gas, das NO und NH₃ enthält, eingeführt wird und das Mischpotenzial der Mischpotenzialelektrode 82 gemessen wird. In dem experimentellen Beispiel wurde die Mischpotenzialelektrode 82 des Gassensors 10 unter Verwendung einer Paste, die aus einer Au-Pt-Legierung, die 5 Gew.-% Au enthielt, zusammengesetzt ist, als Herstellungszusammensetzung hergestellt. Die Mischpotenzialelektrode 82 wird durch Aufbringen der Au-Pt-Legierungspaste innerhalb der Vorkammer 21, wenn der Strukturkörper 14 zur Bildung der Vorkammer 21 gestapelt oder laminiert wird, gebildet. Danach wurde die Mischpotenzialelektrode 82 dadurch gebildet, dass sie zusammen mit dem Strukturkörper 14 bei einer Temperatur in der Größenordnung von 1400 °C gebrannt wurde.
Darüber hinaus wurde, wenn der Gassensor 10 gemäß dem experimentellen Beispiel geschnitten wurde und der Atomprozentsatz der Edelmetallteilchen-Oberfläche der Mischpotenzialelektrode 82 mittels eines Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS)-Verfahrens gemessen wurde, der Atomprozentsatz von Au zu 60 Atom-% bestimmt.
In Bezug auf den Gassensor 10 gemäß dem experimentellen Beispiel wurde in einem Zustand, bei dem dessen Temperatur unter Verwendung der Heizeinrichtung 72 bei 750 °C gehalten wurde, das zu messende Gas eingeführt und das Mischpotenzial V0 wurde gemessen. Bezüglich des zu messenden Gases beträgt die Sauerstoffkonzentration 10 %, die H₂O-Konzentration beträgt 3 %, die NO-Konzentration beträgt 0 bis 500 ppm, die NH₃-Konzentration beträgt 0 bis 500 ppm und dessen Strömungsgeschwindigkeit beträgt 200 Liter/min.
Wie es in der 5 gezeigt ist, steigt bei der Mischpotenzialelektrode 82 des vorliegenden experimentellen Beispiels das Mischpotenzial V0 einhergehend mit einer Zunahme der NH₃-Konzentration an. Andererseits ist ersichtlich, dass selbst dann, wenn die Konzentration von NO innerhalb des Bereichs von 0 bis 500 ppm geändert wird, das Mischpotenzial V0 nahezu keiner Änderung unterliegt, sich jedoch nur in Bezug auf die NH₃-Konzentration ändert.
Demgemäß wurde bestätigt, dass es durch Erfassen des Mischpotenzials der Mischpotenzialelektrode 82 innerhalb der Vorkammer 21 von den Konzentrationen von NO und NH₃ möglich war, selektiv nur die Konzentration von NH₃ zu messen.
Der vorstehend beschriebene Gassensor 10 weist die folgenden vorteilhaften Effekte auf.
In dem Gassensor 10 kann durch Bereitstellen der Mischpotenzialelektrode 82 in der Vorkammer 21 auf der Basis des Mischpotenzials (zweite Sensorausgabe) der Mischpotenzialelektrode 82, die NH₃-Konzentration in Bezug auf das zu messende Gas, das NO und NH₃ enthält, selektiv erfasst werden. Ferner kann durch Subtrahieren der NH₃-Konzentration von der NO-Konzentration, die auf der Basis des Messpumpstroms Ip3 (erste Sensorausgabe) erfasst worden ist, die NO-Konzentration innerhalb des zu messenden Gases gemessen werden.
Ferner können gemäß dem Gassensor 10, da es unnötig ist, Messungen durchzuführen, während ein Umschalten bei regelmäßigen Intervallen zwischen einem Ansteuern und einem Stoppen der Vorpumpzelle 80 innerhalb der Vorkammer 21 durchgeführt wird, die Konzentrationen von NO und NH₃ innerhalb des zu messenden Gases konstant gemessen werden. Daher ist die Ansprechgeschwindigkeit der Sensorausgabe in Bezug auf Änderungen der Gaskonzentrationen hervorragend. Ferner kann in der Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer 18 und der Messkammer 20, da der Gassensor 10 das zu messende Gas hineinzieht, das zu messende Gas schnell in die Vorkammer 21 und die Messkammer 20 eingeführt werden. Daher ist gemäß dem Gassensor 10 das Ansprechverhalten noch besser als bei einem herkömmlichen Mischpotenzial-Gassensor.
Ferner wird, obwohl die Mischpotenzialelektrode 82 NH₃ selbst dann messen kann, wenn es auf der Oberfläche des Sensorelements 12 (z.B. angrenzend an die Außenseite-Pumpelektrode 44) vorliegt, durch Bilden der Mischpotenzialelektrode 82 im Inneren der Vorkammer 21 wie in der vorliegenden Erfindung jedwede Wahrscheinlichkeit, Verunreinigungen ausgesetzt zu sein, die in dem Abgas enthalten sind (z.B. Schwefel, Phosphor, Silizium, usw.), vermindert und die Dauerbeständigkeit der Mischpotenzialelektrode 82 wird erhöht.
In dem Gassensor 10 kann die Mischpotenzialelektrode 82 aus jedwedem von einer Gold (Au)-Platin (Pt)-Legierung, Bismutvanadiumoxid (BiVO₄), Kupfervanadiumoxid (Cu₂(VO₃)₂), Wolframoxid und Molybdänoxid hergestellt sein. Ferner kann in dem Fall, bei dem die Mischpotenzialelektrode 82 aus einer Au-Pt-Legierung hergestellt ist, eine große Mischpotenzialausgabe durch Bereitstellen des Au bei einer Konzentration von 30 Atom-% oder mehr erhalten werden. Ferner kann durch Verwenden der vorstehend beschriebenen Mischpotenzialelektrode 82 die Konzentration von NH₃ selektiv von innerhalb des zu messenden Gases gemessen werden.
In dem Gassensor 10 kann die Zielkomponente-Erfassungseinheit 110 die NO-Konzentration innerhalb des zu messenden Gases durch Subtrahieren eines Beitrags aufgrund der NH₃-Konzentration von der NO-Konzentration, die aus dem Messpumpstrom Ip3 der Messelektrode 62 erhalten worden ist, erfassen.
In dem Gassensor 10 erfasst die Zielkomponente-Erfassungseinheit 110 die NH₃-Konzentration durch Messen der Sauerstoffkonzentration innerhalb des zu messenden Gases von dem ersten Pumpstrom Ip1 der Hauptpumpelektrode 42 zusammen mit dem Korrigieren der Korrelation zwischen dem Mischpotenzial und der NH₃-Konzentration auf der Basis des Messergebnisses der Sauerstoffkonzentration. Gemäß diesem Merkmal kann der Einfluss von Fehlern in dem Mischpotenzial aufgrund von Fluktuationen der Sauerstoffkonzentration beseitigt werden und eine genaue NH₃-Konzentration kann bestimmt werden.
(Zweite Ausführungsform)
Nachstehend wird ein Gaskonzentrationsmessverfahren gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Der Gassensor 10, der zum Messen der Gaskonzentration gemäß der vorliegenden Ausführungsform verwendet wird, ist derselbe wie der Gassensor 10, der in der 1 gezeigt ist.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird zum Verhindern von Fluktuationen in dem Mischpotenzial aufgrund der Sauerstoffkonzentration in dem in der 1 gezeigten Gassensor 10 die Vorpumpspannung Vp0 zwischen der Mischpotenzialelektrode 82 und der Außenseite-Pumpelektrode 44 angelegt, wodurch die Sauerstoffkonzentration in der Vorkammer 21 so gesteuert wird, dass sie bei einem konstanten Wert bleibt.
Insbesondere wird die Einheit zum Steuern der vorläufigen Sauerstoffkonzentration 106 von 2 betrieben. In der vorliegenden Ausführungsform erfasst die Einheit zum Steuern der vorläufigen Sauerstoffkonzentration 106 den ersten Pumpstrom Ip1 der Hauptpumpzelle 40 und regelt die Vorpumpspannung Vp0 der Mischpotenzialelektrode 82 in einer Weise, so dass der erste Pumpstrom Ip1 ein konstanter Wert wird. Folglich wird, wie es in der 6 gezeigt ist, überschüssiger O₂ innerhalb der Vorkammer 21 durch die Vorpumpzelle 80 hinausgepumpt, die zwischen der Mischpotenzialelektrode 82 und der Außenseite-Pumpelektrode 44 ausgebildet ist. Ferner wird in dem Fall, bei dem die Sauerstoffkonzentration niedriger als ein vorgegebener Wert ist, Sauerstoff durch die Vorpumpzelle 80 in das Innere der Vorkammer 21 hineingepumpt. Folglich wird selbst dann, wenn Fluktuationen der Sauerstoffkonzentration innerhalb des zu messenden Gases auftreten, der Sauerstoffpartialdruck innerhalb der Vorkammer 21 bei einem konstanten Wert gehalten. Auf diese Weise wird die Messung des Mischpotenzials unter der Sauerstoffkonzentrationssteuerung durchgeführt, die durch die Einheit zum Steuern der vorläufigen Sauerstoffkonzentration 106 durchgeführt wird.
Der Aufbau und der Betrieb der Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer 18 und der Messkammer 20 sind mit dem Messvorgang der NO-Konzentration identisch, der durch den Gassensor 10 der ersten Ausführungsform durchgeführt wird.
Nachstehend werden Vorgänge des Messens der Gaskonzentration in der vorliegenden Ausführungsform unter Bezugnahme auf das Flussdiagramm von 7 beschrieben.
Zuerst führt im Schritt S30 der Gassensor 10 ein zu messendes Gas, in dem O₂ , NO und NH₃ gemischt sind, durch die Gaseinführungsöffnung 16 in die Vorkammer 21 ein.
Als nächstes steuert im Schritt S32 die Sauerstoffkonzentration-Steuereinheit 100 die Sauerstoffkonzentration in der Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer 18, so dass sie bei einem vorgegebenen konstanten Wert bleibt. Wie es vorstehend beschrieben ist, werden innerhalb der Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer 18 die Gesamtheit des NOx und des NH₃ in NO umgewandelt und es wird ein Betrieb zum Hinauspumpen von überschüssigem Sauerstoff durchgeführt, der die Messung der NO-Konzentration stört. Dabei erfasst die Sauerstoffkonzentration-Steuereinheit 100 die erste elektromotorische Kraft V1, welche die Sensorausgabe der ersten Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle 50 ist. Darüber hinaus regelt die Sauerstoffkonzentration-Steuereinheit 100 den Wert des ersten Pumpstroms Ip1 zu der Hauptpumpelektrode 42 der Hauptpumpzelle 40 in einer Weise, so dass die erste elektromotorische Kraft V1 ein konstanter Wert wird. Danach wird die Steuerung des ersten Pumpstroms Ip1 durch die Sauerstoffkonzentration-Steuereinheit 100 fortgesetzt, während die Messung durch den Gassensor 10 durchgeführt wird.
Im Schritt S34 regelt die Einheit zum Steuern der vorläufigen Sauerstoffkonzentration 106 die Sauerstoffkonzentration innerhalb der Vorkammer 21, so dass sie bei einem konstanten Wert bleibt. Insbesondere legt gemäß der Größe des ersten Pumpstroms Ip1 der Sauerstoffkonzentration-Steuereinheit 100 die Einheit zum Steuern der vorläufigen Sauerstoffkonzentration 106 die Vorpumpspannung Vp0 zwischen der Mischpotenzialelektrode 82 und der Außenseite-Pumpelektrode 44 an. Danach wird die Steuerung der Vorpumpspannung Vp0 durch die Einheit zum Steuern der vorläufigen Sauerstoffkonzentration 106 fortgesetzt, während die Messung der Gaskonzentration durchgeführt wird.
Als nächstes erfasst im Schritt S36 die NH₃-Konzentrationsmesseinheit 108 das Mischpotenzial V0, das die Potenzialdifferenz zwischen der Mischpotenzialelektrode 82 und der Referenzelektrode 48 ist. Das Messergebnis (zweite Sensorausgabe) des Mischpotenzials V0 wird in die Zielkomponente-Erfassungseinheit 110 eingespeist.
Im Schritt S38 bezieht sich die Zielkomponente-Erfassungseinheit 110 auf das Kennfeld 112 in Bezug auf die Korrelation (vgl. die 5), die im Vorhinein experimentell erhalten wird, zwischen dem Mischpotenzial und der NH₃-Konzentration, und erfasst die NH₃-Konzentration des zu messenden Gases von dem Mischpotenzial.
Im Schritt S40 erfasst die NO-Konzentrationsmesseinheit 104 den Messpumpstrom Ip3.
Im Schritt S42 erfasst die Zielkomponente-Erfassungseinheit 110 die NO-Konzentration des zu messenden Gases. In diesem Fall umfasst das Kennfeld 112 Daten, welche die Korrelation repräsentieren, die im Vorhinein experimentell erhalten worden ist, zwischen dem Messpumpstrom Ip3 und der NO-Konzentration. Auf der Basis des Werts des Messpumpstroms Ip3 der Messpumpzelle 61 bezieht sich die Zielkomponente-Erfassungseinheit 110 auf das Kennfeld 112 und erfasst die NO-Konzentration innerhalb der Atmosphäre innerhalb der Messkammer 20. Als nächstes erfasst die Zielkomponente-Erfassungseinheit 110 die NO-Konzentration innerhalb des zu messenden Gases durch Subtrahieren der NO-Konzentration, die von der NH₃-Konzentration abgeleitet ist, die im Schritt S38 bestimmt worden ist, von der NO-Konzentration innerhalb der Atmosphäre innerhalb der Messkammer 20. Gemäß dem vorstehenden Verfahren werden die Konzentrationen von NO und NH₃ innerhalb des zu messenden Gases bestimmt.
Danach wird im Schritt S44 eine Bestimmung dahingehend durchgeführt, ob die Zielkomponente-Erfassungseinheit 110 die Messung fortsetzen soll oder nicht. Wenn im Schritt S44 bestimmt wird, dass die Zielkomponente-Erfassungseinheit 110 die Durchführung der Messung fortsetzen sollte, fährt das Verfahren zu dem Schritt S36 fort und die Messung der Konzentrationen von NO und NH₃ wird fortgesetzt. Wenn andererseits im Schritt S44 bestimmt wird, dass die Zielkomponente-Erfassungseinheit 110 die Messung beenden soll, wird das Messverfahren beendet.
In diesem Betriebsmodus der vorliegenden Ausführungsform weist der Gassensor 10 die folgenden Effekte auf.
In dem Gassensor 10 gemäß diesem Betriebsmodus der vorliegenden Ausführungsform erfasst die Zielkomponente-Erfassungseinheit 110 die NH₃-Konzentration auf der Basis des Mischpotenzials der Mischpotenzialelektrode 82 unter einer Bedingung, bei der die Sauerstoffkonzentration innerhalb der Vorkammer 21 durch die Einheit zum Steuern der vorläufigen Sauerstoffkonzentration 106 bei einem konstanten Wert gehalten wird. Demgemäß besteht kein Bedarf zum Korrigieren des Mischpotenzials auf der Basis des ersten Pumpstroms Ip1 der Hauptpumpzelle 40 und das Verarbeiten der Messdaten wird vereinfacht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2017/222002 [0003, 0004]

Claims

Gassensor (10), der zum Messen von Konzentrationen einer Mehrzahl von Komponenten in der Gegenwart von Sauerstoff ausgebildet ist, umfassend: einen Strukturkörper (14), der aus einem Festelektrolyten hergestellt ist, der mindestens eine Sauerstoffionenleitfähigkeit aufweist; eine Gaseinführungsöffnung (16), die in dem Strukturkörper ausgebildet ist und in die ein zu messendes Gas eingeführt wird; eine Vorkammer (21), die eine Mischpotenzialelektrode (82) umfasst und mit der Gaseinführungsöffnung in Verbindung steht; eine Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer (18), die eine Hauptpumpelektrode (42) umfasst und mit der Vorkammer in Verbindung steht; eine Messkammer (20), die eine Messelektrode (62) umfasst und mit der Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer in Verbindung steht; eine Referenzelektrode (48), die auf einer Oberfläche des Strukturkörpers ausgebildet ist und in Kontakt mit einem Referenzgas angeordnet ist; eine Sauerstoffkonzentration-Hauptsteuereinheit (100), die zum Steuern der Sauerstoffkonzentration innerhalb der Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer auf der Basis einer Spannung der Hauptpumpelektrode ausgebildet ist; eine NH₃-Konzentrationsmesseinheit (108), die zum Erfassen eines Mischpotenzials zwischen der Referenzelektrode und der Mischpotenzialelektrode ausgebildet ist; eine NO-Konzentrationsmesseinheit (104), die zum Messen der NO-Konzentration innerhalb der Messkammer auf der Basis eines Pumpstroms der Messelektrode ausgebildet ist; und eine Zielkomponente-Erfassungseinheit (110), die zum Erfassen der NH₃-Konzentration und der NO-Konzentration innerhalb des zu messenden Gases ausgebildet ist.
Gassensor nach Anspruch 1, bei dem die Mischpotenzialelektrode aus einem von einer Gold (Au)-Platin (Pt)-Legierung, Bismutvanadiumoxid (BiVO₄), Kupfervanadiumoxid (Cu₂(VO₃)₂), Wolframoxid und Molybdänoxid hergestellt ist.
Gassensor nach Anspruch 1 oder 2, bei dem mindestens eine Oberfläche der Mischpotenzialelektrode aus einer Gold (Au)/Platin (Pt)-Legierung hergestellt ist, die Gold in einer Konzentration von mehr als oder gleich 30 Atom-% enthält.
Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Zielkomponente-Erfassungseinheit die NO-Konzentration durch Subtrahieren einer NO-Konzentration, die von der NH₃-Konzentration abgeleitet ist, von der NO-Konzentration, die von dem Pumpstrom der Messelektrode erhalten wird, erfasst.
Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Zielkomponente-Erfassungseinheit die NH₃-Konzentration durch Messen der Sauerstoffkonzentration innerhalb des zu messenden Gases von einem Pumpstrom der Hauptpumpelektrode zusammen mit dem Korrigieren einer Korrelation zwischen dem Mischpotenzial und der NH₃-Konzentration auf der Basis der Sauerstoffkonzentration innerhalb des zu messenden Gases erfasst.
Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, der ferner eine Einheit zum Steuern der vorläufigen Sauerstoffkonzentration (106) umfasst, die zum Steuern eines Sauerstoffpartialdrucks der Vorkammer durch Zuführen eines Pumpstrom zu der Mischpotenzialelektrode ausgebildet ist, wobei unter einer Bedingung, bei welcher der Sauerstoffpartialdruck in der Vorkammer durch die Einheit zum Steuern der vorläufigen Sauerstoffkonzentration bei einem konstanten Wert gehalten wird, die Zielkomponente-Erfassungseinheit die NH₃-Konzentration innerhalb des zu messenden Gases auf der Basis des Mischpotenzials erfasst.
Gaskonzentrationsmessverfahren, durch das Konzentrationen einer Mehrzahl von Komponenten innerhalb eines zu messenden Gases in der Gegenwart von Sauerstoff unter Verwendung eines Gassensors (10) gemessen werden, der mit einem Strukturkörper (14), der aus einem Festelektrolyten hergestellt ist, der mindestens eine Sauerstoffionenleitfähigkeit aufweist, einer Gaseinführungsöffnung (16), die in dem Strukturkörper ausgebildet ist und in die ein zu messendes Gas eingeführt wird, einer Vorkammer (21), die eine Mischpotenzialelektrode (82) umfasst und mit der Gaseinführungsöffnung in Verbindung steht, einer Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer (18), die eine Hauptpumpelektrode (42) umfasst und mit der Vorkammer in Verbindung steht, einer Messkammer (20), die eine Messelektrode (62) umfasst und mit der Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer in Verbindung steht, einer Referenzelektrode (48), die auf einer Oberfläche des Strukturkörpers ausgebildet ist und in Kontakt mit einem Referenzgas angeordnet ist, versehen ist, wobei das Verfahren umfasst: einen Schritt des Erfassens einer NH₃-Konzentration innerhalb des zu messenden Gases durch Erfassen eines Mischpotenzials der Mischpotenzialelektrode, während der Messelektrode ein Pumpstrom zugeführt wird und der Sauerstoff innerhalb des zu messenden Gases abgegeben wird.
Gaskonzentrationsmessverfahren nach Anspruch 7, ferner umfassend: einen Schritt des Umwandelns von NH₃ in NO in der Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer durch Zuführen eines vorgegebenen Pumpstroms zu der Hauptpumpelektrode in der Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer; einen Schritt des Zersetzens von NO durch Zuführen eines Pumpstroms zu der Messelektrode in der Messkammer, wodurch der Sauerstoff abgegeben wird; und einen Schritt des Messens einer NO-Konzentration auf der Basis des Pumpstroms der Messelektrode.
Gaskonzentrationsmessverfahren nach Anspruch 8, das ferner einen Schritt des Erfassens der NO-Konzentration innerhalb des zu messenden Gases durch Subtrahieren der NH₃-Konzentration, die aus dem Mischpotenzial erhalten worden ist, von der NO-Konzentration innerhalb der Messkammer umfasst.
Gaskonzentrationsmessverfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, ferner umfassend: einen Schritt des Messens des Mischpotenzials ohne Zuführen eines Pumpstroms zu der Mischpotenzialelektrode; einen Schritt des Bestimmens eines Sauerstoffpartialdrucks in dem zu messenden Gas aus einem Wert des Pumpstroms, welcher der Hauptpumpelektrode zugeführt wird; und einen Schritt des Erfassens der NH₃-Konzentration durch Korrigieren einer Sauerstoffkonzentrationsabhängigkeit des Mischpotenzials auf der Basis des Sauerstoffpartialdrucks innerhalb des zu messenden Gases.
Gaskonzentrationsmessverfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, bei dem die NH₃-Konzentration innerhalb des zu messenden Gases durch Messen des Mischpotenzials der Mischpotenzialelektrode erfasst wird, während ein Sauerstoffpartialdruck innerhalb der Vorkammer durch Zuführen eines Pumpstroms zu der Mischpotenzialelektrode bei einem konstanten Wert gehalten wird.
Gaskonzentrationsmessverfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, bei dem eine Gold (Au)/Platin (Pt)-Legierung, die Gold in einer Konzentration von mehr als oder gleich 30 Atom-% enthält, in mindestens einer Oberfläche auf der Mischpotenzialelektrode verwendet wird.