DE102019116887A9

DE102019116887A9 - Lachgaskonzentrationsdetektor

Info

Publication number: DE102019116887A9
Application number: DE102019116887.2A
Authority: DE
Inventors: Hao Wu; Shota Hagino; Hiroki Ichikawa
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2018-06-26
Filing date: 2019-06-24
Publication date: 2020-02-27
Also published as: US20190391108A1; US11193907B2; DE102019116887A1; JP7068943B2; JP2020003264A

Abstract

Ein Lachgaskonzentrationsdetektor (10) beinhaltet eine Steuereinheit (50). In der Steuereinheit steuert ein erster Steuerabschnitt (501) einen Spannungsanlegeabschnitt (33) und eine Heizung (25), um einen ersten Zustand zu erreichen, in dem Stickoxid einer Elektrolyse unterzogen wird und Lachgas keiner Elektrolyse unterzogen wird. Ein zweiter Steuerabschnitt (502) steuert den Spannungsanlegeabschnitt und die Heizung, um einen zweiten Zustand zu erreichen, in dem Stickoxid und Lachgas einer Elektrolyse unterzogen werden. Ein Schätzabschnitt (503) schätzt einen geschätzten Strom, der zwischen einer ersten Elektrode (23) und einer zweiten Elektrode (24) aufgrund der Elektrolyse von Stickoxid im zweiten Zustand fließt, basierend auf einem ersten Strom, der von einem Stromdetektor (40) im ersten Zustand detektiert wird. Ein Berechnungsabschnitt (504) berechnet eine Lachgaskonzentration basierend auf einem dritten Strom, der durch Subtraktion des durch den Schätzabschnitt geschätzten Stroms von einem zweiten Strom, der durch den Stromdetektor im zweiten Zustand detektiert wird.

Description

HINTERGRUND
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Detektieren der Konzentration von Distickstoffmonoxid bzw. Lachgas (N₂O).
Stand der Technik
Konventionell wurde eine Vorrichtung zur Berechnung einer Lachgaskonzentration bzw. einer Distickstoffmonoxidkonzentration vorgeschlagen (siehe z.B. JP-A-2006-284207 ). Die Vorrichtung beinhaltet einen Elektrolyten als Kationenleiter und eine Elektrodenschicht, die aus einem auf einer Seite des Elektrolyten gebildeten Lachgaszersetzungskatalysator besteht. Die Vorrichtung misst eine zwischen dem Elektrolyten und der Elektrodenschicht erzeugte elektromotorische Kraft, um die Lachgaskonzentration aus der elektromotorischen Kraft zu berechnen.
Wenn Stickoxid (NO) zusammen mit Lachgas vorhanden ist, wird die gemessene elektromotorische Kraft durch das Stickoxid beeinflusst, da das Stickoxid durch Elektrolyse leichter abgebaut wird als das Lachgas. Aus diesem Grund kann die in JP-2006-284207 A offenbarte Vorrichtung möglicherweise nicht in der Lage sein, die Lachgaskonzentration genau zu berechnen.
Die vorliegende Erfindung soll das oben genannte Problem lösen und zielt vor allem darauf ab, einen Lachgaskonzentrationsdetektor bereitzustellen, der die Lachgaskonzentration genau detektiert, auch wenn Stickoxid vorhanden ist.
KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
In einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Lachgaskonzentrationsdetektor vorgesehen, der Folgendes umfasst: eine erste Elektrode; einen Elektrolyten mit Sauerstoffionenleitfähigkeit; eine zweite Elektrode, die mit der ersten Elektrode durch den Elektrolyten verbunden ist; einen Spannungsanlegeabschnitt, der eine Spannung zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode anlegt; eine Heizung, die den Elektrolyten erwärmt; einen Stromdetektor, der Strom detektiert, der zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode fließt; und eine Steuereinheit, die den Spannungsanlegeabschnitt und die Heizung steuert. Im Lachgaskonzentrationsdetektor beinhaltet die Steuereinheit: einen ersten Steuerabschnitt, der den Spannungsanlegeabschnitt und die Heizung steuert, um einen ersten Zustand zu erreichen, in dem Stickstoffoxid einer Elektrolyse unterzogen wird und Lachgas keiner Elektrolyse unterzogen wird, einen zweiten Steuerabschnitt, der den Spannungsanlegeabschnitt und die Heizung steuert, um einen zweiten Zustand zu erreichen, in dem Stickstoffoxid und Lachgas einer Elektrolyse unterzogen werden, einen Schätzabschnitt, die einen geschätzten Strom schätzt, der zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode aufgrund der Elektrolyse von Stickoxid im zweiten Zustand fließt, basierend auf einem ersten Strom, der durch den Stromdetektor im ersten Zustand detektiert wird, und einem Berechnungsabschnitt, der eine Lachgaskonzentration basierend auf einem dritten Strom berechnet, der durch Subtraktion des geschätzten Stroms, der durch den Schätzabschnitt geschätzt wird, von einem zweiten Strom, der durch den Stromdetektor im zweiten Zustand detektiert wird, erhalten wird.
Bei der obigen Konfiguration legt der Spannungsanlegeabschnitt eine Spannung zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode an, die durch den Elektrolyten mit der ersten Elektrode verbunden ist. Darüber hinaus erwärmt die Heizung den Elektrolyten. Der Spannungsanlegeabschnitt und die Heizung werden von der Steuereinheit gesteuert. Wenn mindestens eines von Stickoxid und Lachgas in der ersten Elektrode oder der zweiten Elektrode einer Elektrolyse unterzogen wird, fließt ein Strom zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode durch den Elektrolyten mit der Sauerstoffionenleitfähigkeit. Der Strom, der zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode fließt, wird vom Stromdetektor detektiert.
Der erste Steuerabschnitt steuert den Spannungsanlegeabschnitt und die Heizung, um den ersten Zustand zu erreichen, in dem das Stickoxid einer Elektrolyse unterzogen wird und das Lachgas keiner Elektrolyse unterzogen wird. Im ersten Zustand fließt der durch die Elektrolyse des Stickoxids verursachte Strom zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode, und der durch die Elektrolyse des Lachgases verursachte Strom fließt nicht zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode. Darüber hinaus steuert der zweite Steuerabschnitt den Spannungsanlegeabschnitt und die Heizung, um den zweiten Zustand zu erreichen, in dem das Stickoxid und das Lachgas einer Elektrolyse unterzogen werden. Im zweiten Zustand fließen der durch die Elektrolyse des Stickoxids verursachte Strom und der durch die Elektrolyse des Lachgases verursachte Strom zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode.
Der Strom, der zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode durch die Elektrolyse des Stickoxids im ersten Zustand fließt, korreliert mit dem Strom, der zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode durch die Elektrolyse des Stickoxids im zweiten Zustand fließt. So schätzt der Schätzabschnitt den geschätzten Strom, der zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode aufgrund der Elektrolyse des Stickoxids im zweiten Zustand fließt, basierend auf dem ersten Strom, der vom Stromdetektor im ersten Zustand detektiert wird.
Der dritte Strom, der durch Subtraktion des durch den Schätzabschnitt geschätzten Stroms von dem durch den Stromdetektor im zweiten Zustand detektierten zweiten Strom erhalten wird, entspricht dem Strom, der zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode aufgrund der Elektrolyse des Lachgases im zweiten Zustand fließt. Der dritte Strom ist ein Strom, der den durch die Elektrolyse des Stickoxids verursachten Strom ausschließt, und der dritte Strom korreliert mit der Lachgaskonzentration. Selbst wenn das Stickoxid vorhanden ist, detektiert der Berechnungsabschnitt somit die Lachgaskonzentration basierend auf dem dritten Strom genau.
Ob sich das Stickoxid und das Lachgas einer Elektrolyse unterziehen, ändert sich durch die Temperatur des Elektrolyten und einer Spannung (im Folgenden: angelegte Spannung) zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode. Im Allgemeinen ist die Zeit, die benötigt wird, um die Temperatur des zu stabilisierenden Elektrolyten bei einer vorbestimmten Temperatur zu ändern, länger als die Zeit, die benötigt wird, um die angelegte Spannung zu ändern, die bei einer vorbestimmten Spannung zu stabilisieren ist.
In diesem Zusammenhang steuert der erste Steuerabschnitt in einem zweiten Aspekt den Spannungsanlegeabschnitt und die Heizung, um eine Temperatur des Elektrolyten auf eine erste Temperatur einzustellen und eine erste Spannung zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode anzulegen, so dass der erste Zustand erreicht wird. Der zweite Steuerabschnitt steuert den Spannungsanlegeabschnitt und die Heizung, um die Temperatur des Elektrolyten auf die erste Temperatur einzustellen und eine zweite Spannung, die höher als die erste Spannung ist, zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode anzulegen, so dass der zweite Zustand erreicht wird. Da die Temperatur des Elektrolyten zwischen dem ersten Zustand und dem zweiten Zustand nicht geändert werden muss und nur die angelegte Spannung geändert werden muss, kann die Lachgaskonzentration in kurzer Zeit detektiert werden.
Die von den Erfindern der vorliegenden Anwendung durchgeführten Experimente ergaben, dass sich das Lachgas unabhängig von der angelegten Spannung kaum zersetzt, wenn die Temperatur des Elektrolyten unter 350 °C sinkt. Wenn die Temperatur des Elektrolyten höher als 450 °C wird, wird die thermische Zersetzung des Lachgases eingeleitet und der durch die thermische Zersetzung des Lachgases verursachte Strom, d.h. der Strom, der weder durch die Elektrolyse des Stickoxids noch durch die Elektrolyse des Lachgases verursacht wird, kann möglicherweise zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode fließen.
In diesem Zusammenhang wird in einem dritten Aspekt die erste Temperatur in einem Bereich von 350 bis 450 °C eingestellt bzw. festgelegt. Damit wird der zweite Zustand erreicht, in dem das Stickoxid und das Lachgas einer Elektrolyse unterzogen werden und die Detektionsgenauigkeit der Lachgaskonzentration nicht verringert werden kann.
Die von den Erfindern der vorliegenden Anwendung durchgeführten Experimente ergaben, dass bei einer Temperatur des Elektrolyten von 400 °C und einer angelegten Spannung von weniger als 0,15 V das Stickoxid keiner Elektrolyse unterzogen wird und bei einer angelegten Spannung von mehr als 0,26 V das Lachgas einer Elektrolyse unterzogen wird.
In diesem Zusammenhang wird in einem vierten Aspekt die erste Temperatur auf 400 °C und die erste Spannung auf einen Bereich von 0,15 bis 0,26 V eingestellt. Damit wird der erste Zustand erreicht, in dem das Stickoxid einer Elektrolyse unterzogen wird und das Lachgas keiner Elektrolyse unterzogen wird.
Die von den Erfindern der vorliegenden Anwendung durchgeführten Experimente ergaben, dass bei einer Temperatur des Elektrolyten von 400 °C, wenn die angelegte Spannung größer als 0,80 V wird, Wasser (H₂O) einer Elektrolyse unterzogen wird und der durch die Elektrolyse von Wasser verursachte Strom, d.h. der Strom, der weder durch die Elektrolyse des Stickoxids noch durch die Elektrolyse des Lachgases verursacht wird, möglicherweise zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode fließen kann.
In diesem Zusammenhang wird in einem fünften Aspekt die erste Temperatur auf 400 °C und die zweite Spannung auf einen Bereich von 0,26 bis 0,80 V eingestellt. Somit wird der zweite Zustand erreicht, in dem das Stickoxid und das Lachgas einer Elektrolyse unterzogen werden und die Detektionsgenauigkeit der Lachgaskonzentration nicht verringert werden kann.
In einem sechsten Aspekt schätzt der Schätzabschnitt den geschätzten Strom basierend auf einer ersten Beziehung, die eine vorbestimmte Beziehung zwischen einer Stickoxidkonzentration, einem Strom, der zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode aufgrund der Elektrolyse von Stickoxid im ersten Zustand fließt, und einem Strom, der zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode aufgrund der Elektrolyse von Stickoxid im zweiten Zustand fließt, und dem ersten Strom, der vom Stromdetektor im ersten Zustand detektiert wird.
Mit der obigen Konfiguration wird die erste Beziehung, die die Beziehung zwischen der Konzentration des Stickoxids, dem Strom, der zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode aufgrund der Elektrolyse des Stickoxids im ersten Zustand fließt, und dem Strom ist, der zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode aufgrund der Elektrolyse des Stickoxids im zweiten Zustand fließt, vorher eingestellt. Der Schätzabschnitt schätzt den oben geschätzten Strom basierend auf der ersten Beziehung und dem ersten Strom, der vom Stromdetektor im ersten Zustand detektiert wird. Das heißt, die Konzentration des Stickoxids wird berechnet, indem der erste vom Stromdetektor im ersten Zustand detektierte Strom auf die erste Beziehung angewendet wird. Der Strom, der zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode durch die Elektrolyse des Stickoxids im zweiten Zustand fließt, d.h. der geschätzte Strom, wird geschätzt, indem die berechnete Konzentration des Stickoxids auf die erste Beziehung angewendet wird. Die erste Beziehung kann zuvor festgelegt werden, z.B. aufgrund von Experimenten.
In einem siebten Aspekt berechnet der Berechnungsabschnitt die Lachgaskonzentration basierend auf einer zweiten Beziehung, die eine vorbestimmte Beziehung zwischen der Lachgaskonzentration und einem Strom ist, der zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode aufgrund der Elektrolyse von Lachgas im zweiten Zustand und dem dritten Strom fließt.
Mit der obigen Konfiguration wird zuvor die zweite Beziehung, d.h. die Beziehung zwischen der Konzentration des Lachgases und dem Strom, der zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode aufgrund der Elektrolyse des Lachgases im zweiten Zustand fließt, eingestellt. Der Berechnungsabschnitt berechnet die Lachgaskonzentration basierend auf der zweiten Beziehung und dem obigen dritten Strom. Das heißt, die Lachgaskonzentration wird durch Anlegen des dritten Stroms berechnet, der dem Strom entspricht, der zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode aufgrund der Elektrolyse des Lachgases im zweiten Zustand zur zweiten Beziehung fließt. Die zweite Beziehung kann zuvor z.B. aufgrund von Experimenten eingestellt werden.
Genauer gesagt ist in einem achten Aspekt der Elektrolyten aus stabilisiertem Zirkoniumdioxid gebildet, die erste Elektrode ist aus Platin gebildet, und die zweite Elektrode beinhaltet das stabilisierte Zirkoniumdioxid.
Figurenliste
In den beigefügten Figuren ist das Folgende gezeigt:

1A ist ein schematisches Diagramm, das eine Konfiguration eines Lachgaskonzentrationsdetektors veranschaulicht;
1B ist ein Funktionsblockdiagramm einer Steuereinheit des Lachgaskonzentrationsdetektors;
2 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen der Elementtemperatur und dem Elementstrom von Lachgas darstellt;
3 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen der Elementtemperatur und der Zersetzungsspannung darstellt;
4 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen der angelegten Spannung und dem Elementstrom von Lachgas bei 340 °C darstellt;
5 ist ein vergrößerter Graph, der den Abschnitt A1 von 4 zeigt;
6 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen der angelegten Spannung und dem Elementstrom von Lachgas bei 470 °C darstellt;
7 ist ein vergrößerter Graph, der den Abschnitt A2 von 6 zeigt;
8 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen der angelegten Spannung und dem Elementstrom von Stickoxid bei 400 °C darstellt;
9 ist ein vergrößerter Graph, der den Abschnitt A3 von 8 zeigt;
10 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen der angelegten Spannung und dem Elementstrom von Lachgas bei 400 °C darstellt;
11 ist ein vergrößerter Graph, der den Abschnitt A4 von 10 zeigt;
12 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen der angelegten Spannung und dem Elementstrom bei 400 °C darstellt;
13 ist ein vergrößerter Graph, der den Abschnitt A5 von 12 zeigt;
14 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Detektieren der Lachgaskonzentration zeigt;
15 ist ein Graph, der eine erste Beziehung zeigt;
16 ist ein Graph, der eine zweite Beziehung zeigt; und
17 ist ein Graph, der einen N₂O-Strom bei einer zweiten Spannung zeigt, die jeder Lachgaskonzentration gemäß der vorliegenden Ausführungsform und den Messwerten zugeordnet ist.

BESCHREIBUNG DER SPEZIFISCHEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Im Folgenden wird ein Lachgaskonzentrationsdetektor nach einer Ausführungsform, der die Lachgaskonzentration in der Luft oder in einer bestimmten Atmosphäre detektiert, mit Bezug auf die Figuren beschrieben.
Wie in 1A dargestellt, beinhaltet ein Lachgaskonzentrationsdetektor 10 einen Sensorabschnitt 20, eine erste Stromversorgung 31, eine zweite Stromversorgung 32, einen Schalter 33, ein Amperemeter 40 und eine Steuereinheit 50.
Der Sensorabschnitt 20 beinhaltet ein Gehäuse 21, einen Festelektrolyten 22, eine Detektionselektrode 23, eine Referenzelektrode 24 und eine Heizung 25. Das Gehäuse 21 ist quaderförmig geformt und nimmt den Festelektrolyten 22, die Detektionselektrode 23, die Referenzelektrode 24 und die Heizung 25 auf. Das Gehäuse 21 definiert eine Messkammer 27, in der die Lachgaskonzentration gemessen wird. Die Messkammer 27 empfängt das zu messende Gas einschließlich Stickoxid (NO) und Lachgas (N₂O).
Der Festelektrolyten 22 (Elektrolyten) ist aus Yttriumoxid (Y₂O₃ ) stabilisiertem Zirkoniumoxid (YSZ) mit Sauerstoffionenleitfähigkeit in einer Platte gebildet. Die Detektionselektrode 23 ist auf einer der Hauptflächen (den flächenmäßig größten Flächen) des Festelektrolyten 22 montiert, und die Referenzelektrode 24 ist auf der anderen Fläche montiert. Die Detektionselektrode 23 (erste Elektrode) ist aus Platin (Pt) zu einer Platte geformt und befindet sich in der Messkammer 27. Die Referenzelektrode 24 (zweite Elektrode) ist aus YSZ in einer Platte ausgebildet und über den Festelektrolyten 22 mit der Detektionselektrode 23 verbunden.
Die Heizung 25 erwärmt den Festelektrolyten 22, die Detektionselektrode 23 und die Referenzelektrode 24 und regelt die Temperatur des Festelektrolyten 22. Die Heizung 25 wird durch die Steuereinheit 50 so gesteuert, dass die Temperatur des Festelektrolyten 22 auf eine Solltemperatur erwärmt wird.
Der Festelektrolyten 22, die Detektionselektrode 23 und die Referenzelektrode 24 konfigurieren einen Elementabschnitt, an dem die erste Stromversorgung 31 und die zweite Stromversorgung 32 über den Schalter 33 parallel geschaltet sind. Die erste Stromversorgung 31 ist eine Stromversorgung, die z.B. 0,2 V (erste Spannung) zwischen der Detektionselektrode 23 und der Referenzelektrode 24 anliegt. Die Kathode der ersten Stromversorgung 31 ist über den Schalter 33 mit der Detektionselektrode 23 verbunden, und die Anode der ersten Stromversorgung 31 ist über das Amperemeter 40 mit der Referenzelektrode 24 verbunden. Die zweite Stromversorgung 32 ist eine Stromversorgung, die beispielsweise 0,5 V (zweite Spannung) zwischen der Detektionselektrode 23 und der Referenzelektrode 24 anlegt. Die Kathode der zweiten Stromversorgung 32 ist über den Schalter 33 mit der Detektionselektrode 23 verbunden, und die Anode der zweiten Stromversorgung 32 ist über das Amperemeter 40 mit der Referenzelektrode 24 verbunden. Der Schalter 33 wird von der Steuereinheit 50 gesteuert und schaltet die Stromversorgung, die eine Spannung an den Elementabschnitt zwischen der ersten Stromversorgung 31 und der zweiten Stromversorgung 32 anlegt. Die erste Stromversorgung 31, die zweite Stromversorgung 32 und der Schalter 33 konfigurieren einen Spannungsanlegeabschnitt.
Das Amperemeter 40 (Stromdetektor) detektiert einen Strom (im Folgenden: Elementstrom), der zwischen der Detektionselektrode 23 und der Referenzelektrode 24 fließt. Der vom Amperemeter 40 detektierte Strom wird in die Steuereinheit 50 eingespeist.
Die Steuereinheit 50 wird von einem Mikrocomputer konfiguriert, der beispielsweise eine CPU, ein ROM, ein RAM, eine Speichervorrichtung und eine I/O-Schnittstelle beinhaltet. Die Steuereinheit 50 steuert die Heizung 25 so, dass die Impedanz des Festelektrolyten 22 auf eine Impedanz gebracht wird, die der Solltemperatur entspricht, basierend auf der Beziehung zwischen der Impedanz und der Temperatur des Festelektrolyten 22. Auf diese Weise wird die Temperatur des Festelektrolyten 22 (im Folgenden: Elementtemperatur) auf der Zieltemperatur gehalten. Die Steuereinheit 50 schaltet den Schalter 33 zur Steuerung der Spannung (im Folgenden als angelegter Spannung bezeichnet), die zwischen der Detektionselektrode 23 und der Referenzelektrode 24 angelegt werden soll.
2 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen der Elementtemperatur und dem Elementstrom darstellt. Der Graph zeigt einen Fall, in dem die Konzentration des Lachgases 250 ppm und die angelegte Spannung 0,5 V beträgt.
Wie in 2 dargestellt, ist das Lachgas bei einer Elementtemperatur von weniger als 350 °C durch Elektrolyse schwer zersetzbar, so dass der Elementstrom schnell abnimmt. Wenn die Elementtemperatur größer oder gleich 350 °C wird, zersetzt sich das Lachgas durch Elektrolyse gemäß der folgenden Gleichung, wobei O^2- zweiwertige Sauerstoffionen darstellt. N₂O + 2e →N₂ + O^2-
Wenn sich O^2- im Festelektrolyten 22 bewegt, fließt der Elementstrom. In dem Bereich, in dem die Elementtemperatur 350 bis 450 °C beträgt, steigt mit steigender Elementtemperatur der Elementstrom allmählich an. Wenn die Elementtemperatur höher als 450 °C wird, beginnt die thermische Zersetzung des Lachgases. Dadurch wird der Elementstrom schnell erhöht. In dem Bereich, in dem die Elementtemperatur höher als 450 °C ist, wird der Elementstrom durch den Elementstrom erhöht, der durch die thermische Zersetzung des Lachgases verursacht wird, d.h. der Strom, der nicht durch die Elektrolyse des Lachgases verursacht wird.
3 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen der Elementtemperatur und der Zersetzungsspannung darstellt. Der Graph zeigt einen Fall, in dem das Stickoxid 250 ppm beträgt und einen Fall, in dem das Lachgas 250 ppm beträgt.
Wie in 3 dargestellt, ist bei einer Elementtemperatur von weniger als 350 °C die Zersetzungsneigung des Lachgases durch Elektrolyse geringer und die Zersetzungsspannung des Lachgases schnell erhöht. In dem Bereich, in dem die Elementtemperatur 350 bis 450 °C beträgt, wird die Zersetzungsspannung des Lachgases mit zunehmender Elementtemperatur allmählich verringert. Wenn die Elementtemperatur höher als 450 °C wird, beginnt die thermische Zersetzung des Lachgases. So wird in dem Bereich, in dem die Elementtemperatur höher als 450 °C ist, die Zersetzungsspannung des Lachgases schnell verringert. In dem Bereich, in dem die Elementtemperatur 340 bis 470 °C beträgt, während die Elementtemperatur erhöht wird, wird die Zersetzungsspannung des Stickoxids allmählich verringert. Das heißt, in dem Bereich, in dem die Elementtemperatur 340 bis 470 °C beträgt, ist das Stickoxid durch Elektrolyse leicht zu zersetzen. Das Stickoxid wird durch Elektrolyse nach folgender Gleichung zersetzt. 2NO + 4e → N₂ + 2O^2-
4 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen der angelegten Spannung und dem Elementstrom des Lachgases bei 340 °C zeigt. 5 ist ein vergrößerter Graph, der den Abschnitt A1 von 4 zeigt. Der Graph zeigt einen Fall, in dem die Konzentration des Lachgases 250 ppm beträgt.
Wie in den Graphen dargestellt, fließt bei einer auf 340 °C eingestellten Elementtemperatur, auch wenn die angelegte Spannung auf 0,8 V erhöht wird, der Elementstrom kaum. Das heißt, bei einer auf 340 °C eingestellten Elementtemperatur, auch wenn die angelegte Spannung auf 0,8 V erhöht wird, zersetzt sich das Lachgas durch Elektrolyse kaum.
6 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen der angelegten Spannung und dem Elementstrom des Lachgases bei 470 °C zeigt. 7 ist ein vergrößerter Graph, der den Abschnitt A2 von 6 zeigt. Die Graphen zeigen Fälle, in denen die Konzentration des Lachgases 50 ppm und 250 ppm beträgt.
Wie in den Graphen dargestellt, wird bei einer auf 470 °C eingestellten Elementtemperatur, entweder in dem Fall, in dem die Konzentration des Lachgases 50 ppm beträgt oder in dem Fall, in dem die Konzentration des Lachgases 250 ppm beträgt, bei einer angelegten Spannung über 0,13 V der Elementstrom schnell erhöht. Das heißt, wenn die Elementtemperatur auf 470 °C eingestellt ist und die angelegte Spannung 0,13 V übersteigt, wird das Lachgas thermisch zersetzt.
Auf diese Weise erreicht man, wie in 3 dargestellt, in dem Bereich, in dem die Elementtemperatur 350 bis 450 °C beträgt, durch Einstellen der angelegten Spannung auf eine Spannung (erste Spannung), die höher ist als die Zersetzungsspannung des Stickoxids und niedriger als die Zersetzungsspannung des Lachgases, einen ersten Zustand, in dem das Stickoxid einer Elektrolyse unterzogen wird und das Lachgas keiner Elektrolyse unterzogen wird. In dem Bereich, in dem die Elementtemperatur 350 bis 450 °C beträgt, erreicht das Einstellen der angelegten Spannung auf eine Spannung (zweite Spannung), die höher ist als die Zersetzungsspannung des Lachgases, einen zweiten Zustand, in dem das Stickoxid und das Lachgas einer Elektrolyse unterzogen werden. Darüber hinaus wird das Lachgas in dem Bereich, in dem die Elementtemperatur 350 bis 450 °C beträgt, nicht thermisch zersetzt. Selbst wenn die angelegte Spannung höher als die Zersetzungsspannung des Lachgases ist, wird somit der Elementstrom, der weder durch die Elektrolyse des Stickoxids noch durch die Elektrolyse des Lachgases verursacht wird, am Fließen gehindert. Daher wird in der vorliegenden Ausführungsform der Bereich, in dem die Elementtemperatur 350 bis 450 °C beträgt, als Erfassungstemperaturbereich (erste Temperatur) bezeichnet, in dem die Lachgaskonzentration detektiert wird. Genauer gesagt, detektiert die Steuereinheit 50 die Lachgaskonzentration mit der auf 400 °C (erste Temperatur) eingestellten Elementtemperatur.
8 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen der angelegten Spannung und dem Elementstrom des Stickoxids bei 400 °C zeigt. 9 ist ein vergrößerter Graph, der den Abschnitt A3 von 8 zeigt. Die Graphen zeigen Fälle, in denen die Konzentration des Stickoxids 250 ppm und 500 ppm beträgt.
Wie in den Graphen dargestellt, steigt der Elementstrom bei einer Elementtemperatur von 400 °C entweder bei einer Lachgaskonzentration von 250 ppm oder bei einer Lachgaskonzentration von 500 ppm allmählich an, wenn die angelegte Spannung höher als 0,15 V wird. Das heißt, bei einer Elementtemperatur von 400 °C wird das Stickoxid einer Elektrolyse unterzogen, wenn die angelegte Spannung höher als 0,15 V wird.
10 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen der angelegten Spannung und dem Elementstrom des Lachgases bei 400 °C zeigt. 11 ist ein vergrößerter Graph mit dem Abschnitt A4 von 10. Die Graphen zeigen Fälle, in denen die Konzentration des Lachgases 50 ppm und 250 ppm beträgt.
Wie in den Graphen dargestellt, steigt der Elementstrom bei einer Elementtemperatur von 400 °C entweder bei einer Lachgaskonzentration von 50 ppm oder bei einer Lachgaskonzentration von 250 ppm allmählich an, wenn die angelegte Spannung höher als 0,26 V wird. Das heißt, bei einer Elementtemperatur von 400 °C wird das Lachgas einer Elektrolyse unterzogen, wenn die angelegte Spannung höher als 0,26 V wird.
So erreicht das Einstellen der angelegten Spannung auf 0,15 bis 0,26 V (erste Spannung) bei einer auf 400 °C eingestellten Elementtemperatur den ersten Zustand, in dem das Stickoxid einer Elektrolyse unterzogen wird und das Lachgas keiner Elektrolyse unterzogen wird. Darüber hinaus erreicht die Einstellung der angelegten Spannung auf höher als 0,26 V mit der auf 400 °C eingestellten Elementtemperatur den zweiten Zustand, in dem das Stickoxid und das Lachgas einer Elektrolyse unterzogen werden.
12 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen der angelegten Spannung und dem Elementstrom bei 400 °C zeigt. 13 ist ein vergrößerter Graph, der den Abschnitt A5 von 12 zeigt. Die Graphen zeigen einen Fall, in dem die Konzentrationen des Stickoxids und des Lachgases 250 ppm betragen. In den Graphen stellt „N₂O“ den Elementstrom (N₂O-Strom) dar, der durch die Elektrolyse des Lachgases verursacht wird, und „NO“ stellt den Elementstrom(NO-Strom) dar, der durch die Elektrolyse des Stickoxids verursacht wird. In den Graphen stellt „N₂O + NO“ den Gesamtstrom des N₂O-Stromes und des NO-Stromes dar. Darüber hinaus sind die Gasarten, die in jedem Bereich der angelegten Spannung zersetzt werden, oberhalb des Graphen angegeben.
Wie in den Graphen dargestellt, wird das Stickoxid bei einer Elementtemperatur von 400 °C, wenn die angelegte Spannung im Bereich von 0,15 bis 0,26 V liegt, einer Elektrolyse unterzogen, und das Lachgas wird keiner Elektrolyse unterzogen. Wenn die angelegte Spannung also im Bereich von 0,15 bis 0,26 V liegt, passen der NO-Strom und der Gesamtstrom zusammen. Wenn die angelegte Spannung höher als 0,26 V wird, beginnt der N₂O-Strom zu steigen, so dass der Gesamtstrom die Summe aus NO-Strom und N₂O-Strom wird. Dadurch wird der Gesamtstrom größer als der NO-Strom. Mit der auf 400 °C eingestellten Elementtemperatur, wenn die angelegte Spannung in einem Bereich von mehr als 0,26 V liegt, werden das Stickoxid und das Lachgas einer Elektrolyse unterzogen.
Wie in 12 dargestellt, beginnt jedoch, wenn die angelegte Spannung höher als 0,80 V wird, Wasser (H₂O) einer Elektrolyse zu unterziehen. So fließt in dem Bereich, in dem die angelegte Spannung höher als 0,80 V ist, der durch die Elektrolyse von Wasser verursachte Elementstrom, d.h. der Elementstrom, der weder durch die Elektrolyse des Stickoxids noch durch die Elektrolyse des Lachgases verursacht wird. So wird in der vorliegenden Ausführungsform die Elementtemperatur auf 400 °C und die angelegte Spannung auf 0,26 bis 0,8 V (zweite Spannung) eingestellt, um den zweiten Zustand zu erreichen, in dem das Stickoxid und das Lachgas einer Elektrolyse unterzogen werden. Genauer gesagt, stellt die Steuereinheit 50 die Elementtemperatur auf 400 °C und die angelegte Spannung auf 0,50 V (zweite Spannung) ein, um den zweiten Zustand zu erreichen.
Im Allgemeinen ist die Zeit, die benötigt wird, um die Elementtemperatur zu ändern, um sich bei einer vorbestimmten Temperatur zu stabilisieren, länger als die Zeit, die benötigt wird, um die angelegte Spannung zu ändern, um sich bei einer vorbestimmten Spannung zu stabilisieren. Angesichts dieser Faktoren erreicht die Steuereinheit 50 in der vorliegenden Ausführungsform den ersten Zustand, indem sie die Heizung 25 steuert, um die Elementtemperatur auf die erste Temperatur einzustellen, und den Schalter 33 steuert, um die erste Spannung als die angelegte Spannung anzulegen. Die Steuereinheit 50 erreicht den zweiten Zustand, indem sie die Heizung 25 steuert, um die Elementtemperatur auf der ersten Temperatur zu halten, und den Schalter 33 steuert, um die zweite Spannung, die höher als die erste Spannung ist, als die angelegte Spannung anzulegen.
14 ist ein Flussdiagramm, das das Verfahren zum Erfassen der Lachgaskonzentration zeigt. Die Steuereinheit 50 führt diese Reihe von Schritten in einem vorgegebenen Zyklus aus.
Zunächst wird die Heizung 25 so gesteuert, dass die Elementtemperatur auf 400 °C gehalten wird (S10). Die erste Spannung wird als die angelegte Spannung angelegt (S11). Genauer gesagt, wird der Schalter 33 auf die erste Stromversorgung 31 geschaltet und eine Spannung von 0,2 V als anliegende Spannung angelegt. Anschließend detektiert das Amperemeter 40 einen ersten Strom 11 als Elementstrom bei der ersten Spannung (erster Zustand) (S12).
Anschließend wird eine Stickoxidkonzentration D1 basierend auf dem ersten Strom 11 berechnet (S13). Genauer gesagt, wie in 15 dargestellt, wird zuvor eine erste Beziehung eingestellt. Die erste Beziehung ist die Beziehung zwischen der Stickoxidkonzentration, dem Elementstrom, der durch die Elektrolyse des Stickoxids bei der ersten Spannung (0,2 V) fließt, und dem Elementstrom, der durch die Elektrolyse des Stickoxids bei der zweiten Spannung (0,5 V) fließt. Der erste Strom 11, der vom Amperemeter 40 bei der ersten Spannung detektiert wird, wird auf die erste Beziehung angewendet, um die Stickoxidkonzentration D1 zu berechnen. Die erste Beziehung kann zuvor festgelegt werden, z.B. aufgrund von Experimenten.
Anschließend wird ein NO-Strom Ie (geschätzter Strom) bei der zweiten Spannung (zweiter Zustand) basierend auf der Stickoxidkonzentration D 1 geschätzt (S14). Genauer gesagt, wie in 15 dargestellt, wird der NO-Strom Ie bei der zweiten Spannung (0,5 V) durch Anwenden der Stickoxidkonzentration D1 an die erste Beziehung geschätzt.
Anschließend wird die zweite Spannung als die angelegte Spannung angelegt (S15). Genauer gesagt, wird der Schalter 33 auf die zweite Stromversorgung 32 umgeschaltet und eine Spannung von 0,5 V als angelegter Spannung angelegt. Anschließend detektiert das Amperemeter 40 einen zweiten Strom 12 als Elementstrom bei der zweiten Spannung (zweiter Zustand) (S16). Ein N₂O-Strom 13 (dritter Strom) bei der zweiten Spannung wird berechnet, indem der NO-Strom Ie vom zweiten Strom 12 abgezogen wird (S17).
Anschließend wird eine Lachgaskonzentration D2 basierend auf dem N₂O-Strom 13 bei der zweiten Spannung berechnet (S18). Genauer gesagt, wie in 16 dargestellt, ist die zweite Beziehung, die das Verhältnis zwischen der Lachgaskonzentration und dem Elementstrom ist, der durch die Elektrolyse des Lachgases bei der zweiten Spannung (0,5 V) fließt, zuvor eingestellt. Der N₂O-Strom 13 bei der zweiten Spannung wird auf die zweite Beziehung angewendet, um die Lachgaskonzentration D2 zu berechnen. Die zweite Beziehung kann zuvor z.B. aufgrund von Experimenten eingestellt werden. Anschließend wird die Reihe von Schritten vorübergehend ausgesetzt (ENDE).
Wie in 1B dargestellt, beinhaltet die Steuereinheit 50 als Funktionsblöcke, die von den im ROM oder dergleichen gespeicherten CPU-Ausführungsprogrammen implementiert werden können, einen ersten Steuerabschnitt 501, einen zweiten Steuerabschnitt 502, einen Schätzabschnitt 503 und einen Berechnungsabschnitt 504. Die Verfahren bzw. Verfahrensschritte von S10 und S11 entsprechen den Verfahren, die von dem ersten Steuerabschnitt 501 durchgeführt werden, die Verfahren von S10 und S15 entsprechen den Verfahren, die von dem zweiten Steuerabschnitt 502 durchgeführt werden, die Verfahren von S12 bis S14 entsprechen den Verfahren, die von dem Schätzabschnitt 503 durchgeführt werden, und die Verfahren von S16 bis S18 entsprechen den Verfahren, die von dem Berechnungsabschnitt 504 ausgeführt werden. Diese Funktionsblöcke können nur durch Software wie oben beschrieben, nur durch Hardware oder eine Kombination davon implementiert werden. Wenn diese Funktionen beispielsweise von einer elektronischen Schaltung bereitgestellt werden, die Hardware ist, kann die elektronische Schaltung von einer digitalen Schaltung mit vielen Logikschaltungen, einer analogen Schaltung oder einer Kombination derselben bereitgestellt werden.
17 ist ein Graph, der den N₂O-Strom bei der zweiten Spannung zeigt, die jeder Lachgaskonzentration gemäß der vorliegenden Ausführungsform und den Messwerten zugeordnet ist. Wie im Graph dargestellt, liegt in jeder Lachgaskonzentration die Differenz zwischen dem N₂O-Strom bei der zweiten Spannung gemäß der vorliegenden Ausführungsform und dem N₂O-Strom bei der zweiten Spannung gemäß dem Messwert innerhalb von ±8%. Das heißt, in jeder Lachgaskonzentration detektiert die vorliegende Ausführungsform die Lachgaskonzentration mit einem Fehler innerhalb von ±8%.
Die oben beschriebene vorliegende Ausführungsform hat folgende Vorteile.
Der NO-Strom, der zwischen der Detektionselektrode 23 und der Referenzelektrode 24 durch die Elektrolyse des Stickoxids im ersten Zustand fließt, korreliert mit dem NO-Strom, der zwischen der Detektionselektrode 23 und der Referenzelektrode 24 durch die Elektrolyse des Stickoxids im zweiten Zustand fließt. Somit schätzt der Schätzabschnitt den NO-Strom Ie, der zwischen der Detektionselektrode 23 und der Referenzelektrode 24 aufgrund der Elektrolyse des Stickoxids im zweiten Zustand fließt, basierend auf dem vom Amperemeter 40 im ersten Zustand detektierten ersten Strom 11.
Der dritte Strom 13, der durch Subtraktion des durch den Schätzabschnitt geschätzten NO-Stromes Ie von dem durch das Amperemeter 40 im zweiten Zustand detektierten zweiten Strom 12 erhalten wird, entspricht dem N₂O-Strom, der zwischen der Detektionselektrode 23 und der Referenzelektrode 24 aufgrund der Elektrolyse des Lachgases im zweiten Zustand fließt. Der dritte Strom 13 ist ein Strom, der den durch die Elektrolyse des Stickoxids verursachten NO-Strom ausschließt, und der dritte Strom 13 korreliert mit der Lachgaskonzentration. Selbst wenn das Stickoxid vorhanden ist, detektiert der Berechnungsabschnitt somit genau die Lachgaskonzentration D2 basierend auf dem dritten Strom 13.
Der erste Steuerabschnitt erreicht den ersten Zustand, indem er den Schalter 33 und die Heizung 25 steuert, um die Temperatur des Festelektrolyten 22 auf die erste Temperatur einzustellen und die erste Spannung zwischen der Detektionselektrode 23 und der Referenzelektrode 24 anzulegen. Der zweite Steuerabschnitt erreicht den zweiten Zustand, indem er den Schalter 33 und die Heizung 25 steuert, um die Temperatur des Festelektrolyten 22 auf die erste Temperatur einzustellen und die zweite Spannung, die höher als die erste Spannung ist, zwischen der Detektionselektrode 23 und der Referenzelektrode 24 anzulegen. Da die Temperatur des Festelektrolyten 22 nicht zwischen dem ersten Zustand und dem zweiten Zustand geändert werden muss und nur die angelegte Spannung geändert werden muss, wird die Lachgaskonzentration D2 in kurzer Zeit detektiert.
Die erste Temperatur wird im Bereich von 350 bis 450 °C eingestellt. Dadurch wird der zweite Zustand erreicht, in dem das Stickoxid und das Lachgas einer Elektrolyse unterzogen werden und die Detektionsgenauigkeit der Lachgaskonzentration D2 nicht verringert werden kann.
Die erste Temperatur wird auf 400 °C und die erste Spannung auf 0,15 bis 0,26 V eingestellt. Damit wird der erste Zustand erreicht, in dem das Stickoxid einer Elektrolyse unterzogen wird und das Lachgas keiner Elektrolyse unterzogen wird.
Die erste Temperatur wird auf 400 °C und die zweite Spannung auf 0,26 bis 0,80 V eingestellt. Damit wird der zweite Zustand erreicht, in dem das Stickoxid und das Lachgas einer Elektrolyse unterzogen werden und es wird verhindert, dass sich die Detektionsgenauigkeit der Lachgaskonzentration D2 verschlechtert.
Die erste Beziehung ist zuvor festgelegt worden. Die erste Beziehung ist die Beziehung zwischen der Konzentration des Stickoxids, dem NO-Strom, der zwischen der Detektionselektrode 23 und der Referenzelektrode 24 fließt und der durch die Elektrolyse des Stickoxids im ersten Zustand verursacht wird, und dem NO-Strom, der zwischen der Detektionselektrode 23 und der Referenzelektrode 24 fließt, der durch die Elektrolyse des Stickoxids im zweiten Zustand verursacht wird. Der Schätzabschnitt schätzt den obigen NO-Strom Ie basierend auf der ersten Beziehung und dem ersten Strom 11, der vom Amperemeter 40 im ersten Zustand detektiert wird. Das heißt, die Stickoxidkonzentration D1 wird berechnet, indem der erste Strom 11, der vom Amperemeter 40 im ersten Zustand detektiert wird, auf die erste Beziehung angewendet wird. Der Strom, der zwischen der Detektionselektrode 23 und der Referenzelektrode 24 fließt, verursacht durch die Elektrolyse des Stickoxids im zweiten Zustand, d.h. der NO-Strom Ie wird geschätzt, indem die berechnete Stickoxidkonzentration D1 auf die erste Beziehung angewendet wird.
Die zweite Beziehung ist zuvor festgelegt worden. Die zweite Beziehung ist die Beziehung zwischen der Lachgaskonzentration und dem N₂O-Strom, der zwischen der Detektionselektrode 23 und der Referenzelektrode 24 durch die Elektrolyse des Lachgases im zweiten Zustand fließt. Der Berechnungsabschnitt berechnet die Lachgaskonzentration D2 basierend auf der zweiten Beziehung und dem obigen dritten Strom 13. Das heißt, die Lachgaskonzentration D2 wird berechnet, indem der dritte Strom 13, der dem N₂O-Strom entspricht, der zwischen der Detektionselektrode 23 und der Referenzelektrode 24 aufgrund der Elektrolyse des Lachgases im zweiten Zustand fließt, auf die zweite Beziehung angewendet wird.
Die vorstehende Ausführungsform kann wie folgt geändert werden. Den Komponenten, die mit den entsprechenden Komponenten der obigen Ausführungsform identisch sind, haben die gleichen Bezugszeichen, und detaillierte Erklärungen können deshalb entfallen.
Der Festelektrolyten 22 (Elektrolyten) kann aus Calciumoxid (CaO) stabilisiertem Zirkonoxid (CSZ) mit Sauerstoffionenleitfähigkeit in einer Platte gebildet werden. In diesem Fall wird die Detektionselektrode 23 (erste Elektrode) vorzugsweise aus Platin (Pt) in eine Platte und die Referenzelektrode 24 (zweite Elektrode) vorzugsweise aus CSZ und Platin in eine Platte gebildet.
In der obigen Ausführungsform, wie in 15 dargestellt, ist die erste Beziehung, die die Beziehung zwischen der Stickoxidkonzentration, dem Elementstrom, der durch die Elektrolyse des Stickoxids im ersten Zustand (400 °C, 0,2 V) fließt, und dem Elementstrom, der durch die Elektrolyse des Stickoxids im zweiten Zustand (400 °C, 0,5 V) fließt, zuvor als ein Graph eingestellt. Im Gegensatz dazu kann die erste Beziehung zuvor als mathematischer Ausdruck eingestellt werden.
In der obigen Ausführungsform, wie in 16 dargestellt, wird die zweite Beziehung, die das Verhältnis zwischen der Lachgaskonzentration und dem Elementstrom ist, der durch die Elektrolyse des Lachgases im zweiten Zustand (400 °C, 0,5 V) fließt, zuvor als ein Graph eingestellt bzw. festgelegt. Im Gegensatz dazu kann die zweite Beziehung zuvor als mathematischer Ausdruck eingestellt werden.
In der obigen Ausführungsform wird die erste Temperatur auf 400 °C und die erste Spannung auf 0,15 bis 0,26 V eingestellt. Im Gegensatz dazu kann die erste Temperatur auf eine andere Temperatur T1 als 400 °C im Bereich von 350 bis 450 °C und die erste Spannung auf eine der Temperatur T1 entsprechende Spannung eingestellt werden. Das heißt, die erste Temperatur kann auf die Temperatur T1 eingestellt werden, und die erste Spannung kann auf eine Spannung eingestellt werden, bei der das Stickoxid einer Elektrolyse unterzogen wird, und das Lachgas wird bei der Temperatur T1 keiner Elektrolyse unterzogen.
In der obigen Ausführungsform wird die erste Temperatur auf 400 °C und die zweite Spannung auf den Bereich von 0,26 bis 0,80 V eingestellt. Im Gegensatz dazu kann die erste Temperatur auf eine andere Temperatur T1 als 400 °C im Bereich von 350 bis 450 °C und die zweite Spannung auf eine Spannung entsprechend der Temperatur T1 eingestellt werden. Das heißt, die erste Temperatur kann auf die Temperatur T1 und die zweite Spannung auf eine Spannung eingestellt werden, bei der das Stickoxid und das Lachgas bei der Temperatur T1 einer Elektrolyse unterzogen werden.
In der obigen Ausführungsform steuert der erste Steuerabschnitt den Schalter 33 und die Heizung 25, um die Temperatur des Festelektrolyten 22 auf die erste Temperatur einzustellen und die erste Spannung zwischen der Detektionselektrode 23 und der Referenzelektrode 24 anzulegen, so dass der erste Zustand erreicht wird. Der zweite Steuerabschnitt steuert den Schalter 33 und die Heizung 25, um die Temperatur des Festelektrolyten 22 auf die erste Temperatur einzustellen und die zweite Spannung, die höher als die erste Spannung ist, zwischen der Detektionselektrode 23 und der Referenzelektrode 24 anzulegen, so dass der zweite Zustand erreicht wird.
Im Gegensatz dazu kann der erste Steuerabschnitt den ersten Zustand ähnlich wie vorstehend beschrieben erreichen, und der zweite Steuerabschnitt kann den Schalter 33 und die Heizung 25 steuern, um die Temperatur des Festelektrolyten 22 auf eine zweite Temperatur einzustellen, die höher ist als die erste Temperatur, und um die erste Spannung zwischen der Detektionselektrode 23 und der Referenzelektrode 24 anzulegen, so dass der zweite Zustand erreicht wird. In diesem Fall kann, wie in 3 dargestellt, die erste Spannung beispielsweise auf 0,25 V und die erste Temperatur nur in dem Temperaturbereich eingestellt werden, in dem die Zersetzungsspannung des Stickoxids weniger als 0,25 V und die Zersetzungsspannung des Lachgases mehr als 0,25 V beträgt. Außerdem muss die zweite Temperatur nur in dem Temperaturbereich eingestellt werden, in dem die Zersetzungsspannung des Lachgases weniger als 0,25 V beträgt.
In der obigen Ausführungsform konfigurieren die erste Stromversorgung 31, die zweite Stromversorgung 32 und der Schalter 33 den Spannungsanlegeabschnitt. Stattdessen kann als Spannungsanlegeabschnitt eine variable Stromversorgung verwendet werden, die eine Spannung variabel anlegt. Der erste Steuerabschnitt kann den ersten Zustand ähnlich wie vorstehend beschrieben erreichen, und der zweite Steuerabschnitt kann den Schalter 33 und die Heizung 25 steuern, um die Temperatur des Festelektrolyten 22 auf die zweite Temperatur einzustellen und die zweite Spannung zwischen der Detektionselektrode 23 und der Referenzelektrode 24 anzulegen, so dass der zweite Zustand erreicht wird. Kurz gesagt, der erste Steuerabschnitt muss nur die erste Temperatur und die erste Spannung so einstellen, dass die Zersetzungsspannung des Stickoxids kleiner als die erste Spannung ist und die Zersetzungsspannung des Lachgases höher als die erste Spannung ist. Darüber hinaus muss der zweite Steuerabschnitt nur die zweite Temperatur und die zweite Spannung so einstellen, dass die Zersetzungsspannung des Stickoxids und die Zersetzungsspannung des Lachgases kleiner als die zweite Spannung sind.
Zwei Sätze der Detektionselektrode 23 (erste Elektrode), des Festelektrolyten 22 (Elektrolyten), der Referenzelektrode 24 (zweite Elektrode), des Spannungsanlegeabschnitts und der Heizung 25 können verwendet werden. Die Steuereinheit 50 kann einen der Sätze in den ersten Zustand und den anderen in den zweiten Zustand versetzen. Die Lachgaskonzentration kann aus dem Betriebsergebnis der beiden Sätze ermittelt werden. Mit dieser Konfiguration kann der Lachgaskonzentrationsdetektor den ersten Zustand und den zweiten Zustand gleichzeitig erreichen, so dass die Lachgaskonzentration sofort erkannt wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 2006284207 A [0002, 0003]

Claims

Lachgaskonzentrationsdetektor (10), umfassend: eine erste Elektrode (23); einen Elektrolyten (22) mit einer Sauerstoffionenleitfähigkeit; eine zweite Elektrode (24), die durch den Elektrolyten mit der ersten Elektrode verbunden ist, einen Spannungsanlegeabschnitt (31, 32, 33), der eine Spannung zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode anlegt; eine Heizung (25), die den Elektrolyten erwärmt; einen Stromdetektor (40), der einen Strom detektiert, der zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode fließt; und eine Steuereinheit (50), die den Spannungsanlegeabschnitt und die Heizung steuert, wobei die Steuereinheit Folgendes beinhaltet: einen ersten Steuerabschnitt (501), der den Spannungsanlegeabschnitt und die Heizung steuert, um einen ersten Zustand zu erreichen, in dem Stickoxid einer Elektrolyse unterzogen wird und Lachgas keiner Elektrolyse unterzogen wird, einen zweiten Steuerabschnitt (502), der den Spannungsanlegeabschnitt und die Heizung steuert, um einen zweiten Zustand zu erreichen, in dem Stickoxid und Lachgas einer Elektrolyse unterzogen werden, einen Schätzabschnitt (503), der einen geschätzten Strom schätzt, der zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode aufgrund der Elektrolyse von Stickoxid im zweiten Zustand fließt, und dies basierend auf einem ersten Strom, der durch den Stromdetektor im ersten Zustand detektiert wird, und einen Berechnungsabschnitt (504), der eine Lachgaskonzentration basierend auf einem dritten Strom berechnet, der durch Subtrahieren des durch den Schätzabschnitt geschätzten Stroms von einem zweiten Strom, der durch den Stromdetektor in dem zweiten Zustand detektiert wird, erhalten wird.
Lachgaskonzentrationsdetektor nach Anspruch 1, wobei der erste Steuerabschnitt (501) den Spannungsanlegeabschnitt und die Heizung steuert, um eine Temperatur des Elektrolyten auf eine erste Temperatur einzustellen und eine erste Spannung zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode anzulegen, so dass der erste Zustand erreicht wird, und der zweite Steuerabschnitt (502) den Spannungsanlegeabschnitt und die Heizung steuert, um die Temperatur des Elektrolyten auf die erste Temperatur einzustellen und eine zweite Spannung, die höher als die erste Spannung ist, zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode anzulegen, so dass der zweite Zustand erreicht wird.
Lachgaskonzentrationsdetektor nach Anspruch 2, wobei die erste Temperatur in einem Bereich von 350 bis 450 °C eingestellt ist.
Lachgaskonzentrationsdetektor nach Anspruch 2 oder 3, wobei die erste Temperatur auf 400 °C eingestellt ist, und die erste Spannung in einem Bereich von 0,15 bis 0,26 V eingestellt ist.
Lachgaskonzentrationsdetektor nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die erste Temperatur auf 400 °C eingestellt ist, und die zweite Spannung in einem Bereich von 0,26 bis 0,80 V eingestellt ist.
Lachgaskonzentrationsdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Schätzabschnitt (503) den geschätzten Strom basierend auf einer ersten Beziehung schätzt, die eine vorbestimmte Beziehung zwischen einer Stickoxidkonzentration, einem Strom, der zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode aufgrund der Elektrolyse von Stickoxid im ersten Zustand fließt, und einem Strom, der zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode aufgrund der Elektrolyse von Stickoxid im zweiten Zustand fließt, und dem vom Stromdetektor im ersten Zustand detektierten ersten Strom ist.
Lachgaskonzentrationsdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Berechnungsabschnitt die Lachgaskonzentration basierend auf einer zweiten Beziehung berechnet, die eine vorbestimmte Beziehung zwischen der Lachgaskonzentration und einem Strom, der zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode aufgrund der Elektrolyse von Lachgas im zweiten Zustand fließt, und dem dritten Strom ist.
Lachgaskonzentrationsdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Elektrolyten aus stabilisiertem Zirkonoxid gebildet ist, die erste Elektrode aus Platin gebildet ist, und die zweite Elektrode das stabilisierte Zirkonoxid beinhaltet.