DE69713650T2

DE69713650T2 - Gassensor

Info

Publication number: DE69713650T2
Application number: DE69713650T
Authority: DE
Inventors: Nobuhide Kato; Kunihiko Nakagaki
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1996-03-21
Filing date: 1997-03-20
Publication date: 2003-02-20
Anticipated expiration: 2017-03-21
Also published as: EP0797095B1; EP0797095A2; JPH09311121A; JP3537983B2; US5902469A; EP0797095A3; DE69713650D1

Description

Hintergrund der Erfindung

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Gassensor für das Messen von Oxiden wie NO, NO&sub2;, CO&sub2; und H&sub2;O, die z. B. in atmosphärischer Luft und in von Fahrzeugen oder Automobilen abgegebenen Abgasen enthalten sind, sowie von brennbaren Gasen wie CO und CnHm. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf einen Gassensor für das Messen von NO und NO&sub2;.

Beschreibung der verwandten Technik

Ein Abgas, das z. B. von Fahrzeugen oder Automobilen abgegeben wird, so etwa mit Benzin oder Diesel betriebenen Automobilen, enthält Stickstoffoxide (NOx) wie Stickstoffmonoxid (NO) und Stickstoffdioxid (NO&sub2;), sowie Kohlenmonoxid (CO), Kohlendioxid (CO&sub2;), Wasser (H&sub2;O), Kohlenwasserstoff (HC), Wasserstoff (H&sub2;), Sauerstoff (O&sub2;) usw. In einem solchen Abgas werden etwa 80% des gesamten NOx von NO belegt, und etwa 95% des gesamten NOx wird von NO und NO&sub2; belegt.
Der Dreiwegekatalysator, der dazu verwendet wird, im Abgas enthaltenes HC, CO und NOx zu reinigen, zeigt seine maximale Reinigungskraft in der Umgebung des theoretischen Luft-Treibstoff-Verhältnisses (A/F = 14,6). Wird A/F so gesteuert, dass es nicht weniger als 16 ist, so wird die Menge des erzeugten NOx verringert. Es wird jedoch die Reinigungswirksamkeit des Katalysators gesenkt, und folglich wahrscheinlich auch die Menge des abgegebenen NOx erhöht.
In letzter Zeit steigt die Nachfrage nach einer Absenkung der Abgabemenge an CO&sub2;, um auf diese Weise fossile Brennstoffe effektiv zum Einsatz zu bringen und die globale Erwärmung zu verhindern. Um einer solchen Forderung entsprechen zu können, wird es immer wichtiger, die Treibstoff-Ersparnis zu verbessern. Als Reaktion auf diese Nachfrage werden zur Zeit z. B. ein schlanker Verbrennungsmotor und der Katalysator für das Reinigen von NOx wissenschaftlich untersucht. Im Speziellen steigt die Nachfrage nach einem NOx-Sensor.
Ein herkömmlicher NOx-Analysator war bis dato als ein Instrument für die Detektion von NOx bekannt. Der herkömmliche NOx-Analysator wird betrieben, um eine dem NOx eigene Charakteristik, basierend auf der Verwendung der chemischen Leuchtanalyse, zu messen. Der herkömmliche NOx-Analysator ist aber insofern nicht zweckdienlich, als das Instrument selbst sehr groß und kostenintensiv ist. Der herkömmliche NOx-Analysator erfordert eine ständige Wartung, da optische Teile für die Detektion von NOx verwendet werden. Weiters sollte, wenn der herkömmliche NOx-Analysator verwendet wird, jede mögliche Probenentnahme für die Messung von NOx durchgeführt werden, wo es unmöglich ist, direkt ein Detektionselement selbst in ein Fluid einzuführen. Somit ist der herkömmliche NOx-Analysator für die Analyse von Übergangsphänomenen, die in Abgasen, die von einem Automobil abgegeben werden, bei welchem sich die Bedingungen ständig ändern, auftreten, nicht geeignet.
Um die oben angeführten Probleme zu lösen, wurde bereits ein Sensor für das Messen einer bestimmten Gaskomponente in einem Abgas vorgeschlagen, wobei ein Substrat verwendet wurde, das ein Sauerstoffion-leitendes Trockenelektrolyt umfasst.
Fig. 14 zeigt ein System eines Gasanalysators, der in der internationalen Veröffentlichungsschrift WO95/30146 offenbart ist. Diese Vorrichtung umfasst eine erste Kammer 4, in welche ein Messgas G, das NO enthält, durch ein enges Loch 2 eingeführt wird, und eine zweite Kammer 8, in welche das Messgas G von der ersten Kammer 4 durch ein enges Loch 6 eingeführt wird. Die Wandflächen für die Konstruktion der ersten und der zweiten Kammer 4, 8 setzen sich aus Trennwänden 10a, 10b aus Zirconiumdioxid (ZrO&sub2;), das Sauerstoffionen übertragen kann, zusammen. Ein Paar Messelektroden 12a, 12b und ein Paar Messelektroden 14a, 14b für das Messen des Partialdrucks des Sauerstoffs in den jeweiligen Kammern sind auf Die vorliegende Erfindung stellt einen Gassensor bereit, umfassend ein Hauptpumpmittel, das innere und äußere Pumpelektroden umfasst, die an Innen- und Außenflächen eines Substrats angeordnet sind, das aus einem Sauerstoffion-leitenden Trockenelektrolyten besteht, zur Durchführung eines Pumpvorgangs für Sauerstoff, der in einem von außen eingeleiteten Messgas enthalten ist, auf Basis einer Steuerspannung, die zwischen den inneren und äußeren Pumpelektroden angelegt wird; sowie ein ein elektrisches Signal erzeugendes Umwandlungsmittel, das innere und äußere Detektionselektroden umfasst, die an Innen- und Außenflächen eines Substrats angeordnet sind, das aus einem Sauerstoffion-leitenden Trockenelektrolyten besteht, zum Abbau einer vorbestimmten Gaskomponente, die im Messgas enthalten ist, nachdem es dem vom Hauptpumpmittel vorgenommenen Pumpvorgang unterzogen wurde, mit Hilfe von Katalyse und/oder Elektrolyse, um durch Umwandlung ein elektrisches Signal zu erzeugen, das einer durch den Abbau erzeugten Sauerstoffmenge entspricht, worin das Hauptpumpmittel eine Vielzahl der inneren Pumpenelektroden umfasst, die zumindest an Ober- und Unterseiten eines Prozeßraums angeordnet sind, auf den das Hauptpumpmittel wirkt; und die im Messgas enthaltene vorbestimmte Gaskomponente auf Basis des elektrischen Signals gemessen wird, das von dem ein elektrisches Signal erzeugenden Umwandlungsmittel geliefert wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird zuerst der im Messgas enthaltene und von außen eingebrachte Sauerstoff einem vom Hauptpumpmittel vorgenommenen Pumpvorgang unterzogen und so eingestellt, dass er eine vorbestimmte Konzentration aufweist. Das Messgas, in welchem die Sauerstoffkonzentration durch das Hauptpumpmittel eingestellt wurde, wird im nächsten Schritt in das ein elektrisch Signal erzeugendes Umwandlungsmittel eingebracht. Das ein elektrisches Signal erzeugendes Umwandlungsmittel dient dazu, die im Messgas enthaltene vorbestimmte Gaskomponente, nachdem diese einem vom Hauptpumpmittel vorgenommenen Pumpvorgang unterzogen worden ist, mit Hilfe von Katalyse und/oder Elektrolyse zu zersetzen bzw. abzubauen und dabei durch Umwandlung das elektrische Signal zu erzeugen, das der Menge durch die Zersetzung erzeugten Mengen an Sauerstoff entspricht. Danach wird die im Messgas enthaltene vorbestimmte Gaskomponente auf Basis des elektrischen Signals, das vom ein elektrisches Signal erzeugenden Umwandlungsmittel geliefert wird, gemessen.
Der Gassensor kann ein Messpumpmittel und ein Stromdetektionsmittel umfassen, welche als das ein elektrisches Signal erzeugendes Umwandlungsmittel wirken können. In dieser bevorzugten Ausführungsform wird das Messgas, in welchem die Sauerstoffkonzentration durch das Hauptpumpmittel eingestellt wurde, in das Messpumpmittel eingebracht.
Im Messpumpmittel wird die vorbestimmte Gaskomponente, die im Messgas enthalten ist, nachdem dieses einem vom Hauptpumpmittel vorgenommenen Pumpvorgang unterzogen wurde, mittels Katalyse und/oder Elektrolyse abgebaut. Der durch diese Zersetzung erzeugte Sauerstoff wird einem Pumpvorgang unterworfen, der vom Messpumpmittel auf Basis einer Messspannung, die zwischen den Innen- und Außendetektionselektroden angelegt wird, vorgenommen wird. Ein Pumpstrom wird im Messpumpmittel entsprechend einer Sauerstoffmenge, die dem durch das Messpumpmittel ausgeführten Pumpprozess unterworfen wird, erzeugt. Der erzeugte Pumpstrom wird durch das Stromdetektionsmittel detektiert. Auf diese Weise wird die vorbestimmte Gaskomponente, entsprechend der Sauerstoffmenge gemessen.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform kann der Gassensor der vorliegenden Erfindung ein Konzentrationsdetektionsmittel sowie ein Spannungsdetektionsmittel umfassen, welche als ein elektrisches Signal erzeugendes Umwandlungsmittel wirken können. In dieser Ausführungsform wird das Messgas, in welchem die Sauerstoffkonzentration durch das Hauptpumpmittel eingestellt wurde, im nächsten Schritt in das Konzentrationsdetektionsmittel eingeleitet. Im Konzentrationsdetektionsmittel wird die vorbestimmte Gaskomponente, die im Messgas enthalten ist, nachdem dieses einem vom Hauptpumpmittel vorgenommenen Pumpvorgang unterzogen wurde, mittels Katalyse und/oder Elektrolyse zersetzt. Das Konzentrationsdetektionsmittel erzeugt eine elektromotorische Kraft einer Sauerstoffkonzentrationszelle, die einer Differenz zwischen einer durch die Zersetzung erzeugten Sauerstoffmenge und einer in einem Gas, das sich auf einer Seite einer Außendetektionselektrode befindet, enthaltenen Sauerstoffmenge entspricht. Die erzeugte elektromotorische Kraft wird durch das Spannungsdetektionsmittel detektiert. Auf diese Weise wird die vorbestimmte Gaskomponente, entsprechend der Sauerstoffmenge, gemessen.
Im Gassensor gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst das Hauptpumpmittel die inneren Pumpelektroden, die zumindest an den Ober- und Unterseiten des Prozessraumes angeordnet sind, auf den das Hauptpumpmittel wirkt. Demgemäß kann der im Prozessraum durch das Hauptpumpmittel verarbeitete Sauerstoff effektiv nach außen gepumpt werden. Daraus ergibt sich, dass die im Messgas enthaltene Gaskomponente mit höchster Genauigkeit mit Hilfe des Messpumpmittels und des Stromdetektionsmittels oder mit Hilfe des Konzentrationsdetektionsmittels und des Spannungsdetektionsmittels gemessen werden kann.
Oxide im Messgas, so z. B. Stickstoffoxide, können höchstgenau gemessen werden, indem der Gassensor gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird. Wird die Atmosphäre im Prozessraum, auf den das Hauptpumpmittel wirkt, so eingestellt, dass sie eine vorbestimmte Menge an Sauerstoff aufweist, mit welcher kein brennbares Gas brennt, so ist es ebenfalls möglich, brennbare Gase, so z. B. Gaskomponenten wie Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoff sehr genau zumessen.
Im wie oben ausgeführten Gassensor werden vorzugsweise die inneren Pumpelektroden an den Ober- und Unterseiten sowie an zumindest einer seitlichen Seite des Prozessraums, auf welchen das Hauptpumpmittel wirkt, ungeordnet, und die angeordneten inneren Pumpelektroden sind elektrisch mit einander verbunden. In dieser Ausführungsform kann das Hauptpumpmittel noch wirksamer Sauerstoff aus dem Prozessraum, auf den das Hauptpumpmittel wirkt, herauspumpen.
Der auf die obig beschriebene Weise konstruierte Gassensor kann weiters eine Vielzahl an Prozessräumen umfassen, wobei jeder davon einen Diffusionsraten- Bestimmungsabschnitt aufweist, um dem Messgas einen vorbestimmten Diffusionswiderstand zu geben, um auf diese Weise verschiedene Arten von Oxiden, bzw. brennbaren Gasen zu messen.
In dieser Ausführungsform kann z. B. eine Vielzahl von Prozessräumen (die zweckdienlicherweise als "zweite Kammern" bezeichnet werden), auf welche das Hauptpumpmittel oder das Konzentrationsdetektionsmittel wirkt, die mit dem Prozessraum (der zweckdienlicherweise als "erste Kammer" bezeichnet wird), auf den das Hauptpumpmitte wirkt, verbunden sind, in Serie oder parallel zur ersten Kammer angeordnet werden. Somit kann eine Vielzahl verschiedener Arten von Oxiden unter Verwendung eines Sensors in jeder der zweiten Kammern gemessen werden, indem die zwischen den Elektroden des Messpumpmittels, entsprechend jedem der messgegenständlichen Oxide, angelegte Pumpspannung individuell eingestellt wird, oder indem ein Zersetzungskatalysator, der im Messpumpmittel oder im Konzentrationsdetektionsmittel angeordnet ist, entsprechend jedem der messgegenständlichen Oxide, individuell eingestellt wird.
Es wird auch bevorzugt, das der wie oben beschrieben konstruierte Gassensor innere Pumpelektroden umfasst, die aus einem inaktiven Material mit einer niedrigen katalytischen Aktivität für Oxide bestehen können. In dieser Ausführungsform wird die Reaktion des Oxidabbaus auf den inneren Pumpelektroden geeigneter unterdrückt. Somit können die Oxide genauer mittels des Messpumpmittels oder des Konzentrationsdetektionsmittels gemessen werden.
im Gassensor mit oben beschriebener Konstruktion kann die an das Hauptpumpmittel angelegte Steuerspannung so eingestellt sein, dass sie eine Spannung aufweist, bei welcher der Partialdruck des Sauerstoffs im Prozessraum, auf den das Hauptpumpmittel wirkt, nicht weniger als 2 · 10&supmin;&sup8; atm beträgt. Demgemäß wird das Messgas, das auf eine erwünschte Sauerstoffkonzentration eingestellt ist, dem Prozessraum, auf den das Messpumpmittel wirkt, oder dem Prozessraum, auf den das Konzentrationsdetektionsmittel wirkt, zugeführt.
Der wie oben konstruierte Gassensor kann weiters Hilfspumpmittel umfassen, umfassend innere und äußere Hilfspumpelektroden, die an den Innen- und Außenseiten des Substrats, das aus einem Sauerstoffion-leitenden Trockenelektrolyt besteht, angeordnet sind, um einen Pumpvorgang für den Sauerstoff vorzunehmen, der im Messgas enthalten ist, nachdem dieses dem vom Hauptpumpmittel vorgenommenen Pumpvorgang unterzogen worden ist, basierend auf einer Hilfspumpspannung, die zwischen den inneren und äußeren Hilfspumpelektroden angelegt wird.
Demgemäß wird das Messgas, das zuerst grob vom Hauptpumpmittel eingestellt wurde, so dass die vorbestimmte Gaskomponente eine vorbestimmte Konzentration aufweist, weiters einer Feineinstellung durch das Hilfspumpmittel für die Konzentration der vorbestimmten Gaskomponente unterzogen.
Im Allgemeinen ändert sich die Konzentrationsverteilung der vorbestimmten Gaskomponente im Messgas, das in das Hauptpumpmittel eingebracht wird, stark, wenn die Konzentration der vorbestimmten Gaskomponente sich im Messgas im Außenraum stark ändert (z. B. von 0 auf 20%). Die Menge der vorbestimmten Gaskomponente, die in das Messpumpmittel oder das Konzentrationsdetektionsmittel eingeführt wird, ändert sich ebenfalls.
In einer solchen Situation wird die Sauerstoffkonzentration im Messgas, nachdem dieses einem vom Hauptpumpmittel vorgenommenen Pumpvorgang unterzogen worden ist, beim vom Hilfspumpmittel vorgenommenen Pumpvorgang einer Feineinstellung unterworfen. Signifikanterweise wird die Änderung in der Sauerstoffkonzentration im Messgas, das in das Hilfspumpmittel eingebracht wird, als ein Resultat des vom Hauptpumpmittel vorgenommenen Pumpvorganges im Vergleich zur Änderung in der Sauerstoffkonzentration im Messgas, das von außen geliefert wird (das in das Hauptpumpmittel eingeführte Messgas) in großem Ausmaß reduziert. Demgemäß kann die Konzentration der vorbestimmten Gaskomponente genau und konstant in der Umgebung der inneren Detektionselektrode des Messpumpmittels oder in der Umgebung der äußeren Detektionselektrode des Konzentrationsdetektionsmittels geregelt werden.
Somit wird die Konzentration der vorbestimmten Gaskomponente, die in das Messpumpmittel oder das Konzentrationsdetektionsmittel eingebracht wird, kaum von der Änderung in der Sauerstoffkonzentration im Messgas (das in das Hauptpumpmittel eingeführte Messgas) beeinflusst. Daraus ergibt sich, dass der Pumpstromwert, der vom Stromdetektionsmittel detektiert wird, oder die elektromotorische Kraft, die vom Spannungsdetektionsmittel detektiert wird, von der Änderung in der Sauerstoffkonzentration im Messgas kaum beeinflusst wird. Somit wird ein Wert erhalten, der genau der Menge der Zielkomponente entspricht, die im Messgas vorhanden ist.
Insbesondere umfasst das Hilfspumpmittel eine Vielzahl von inneren Hilfspumpelektroden, die zumindest an den Ober- und Unterseiten des Prozessraums angeordnet sind, auf welchen das Hilfspumpmittel wirkt. Aus diesem Grund ist es möglich, überschüssigen Sauerstoff, der im Messgas, das in das Hilfspumpmittel eingebracht wird, enthalten ist, effizient zu entfernen. Somit kann die Zielgaskomponente, die im Messgas enthalten ist, in einer höchstgenauen Weise gemessen werden.
Der Gassensor in obiger Konstruktion kann weiters umfassen: ein Konzentrationsdetektionsmittel, umfassend eine innere Messelektrode, die dem Prozessraum, auf den das Hauptpumpmittel wirkt, ausgesetzt ist; und eine äußere Messelektrode, die einem Bezugsgas-Einleitungsraum ausgesetzt ist, um eine elektromotorische Kraft einer Sauerstoffkonzentrationszelle, die zwischen den inneren und äußeren Messelektroden erzeugt wird, zu messen, als ein Sauerstoff-Partialdruck im Prozessraum, auf den ein Hauptpumpmittel einwirkt; und ein Hauptpumpsteuerungsmittel zum Einstellen einer Höhe der Steuerspannung, so dass die elektromotorische Kraft der Sauerstoffkonzentrationszelle, die vom Konzentrationsmessmittel detektiert wird, einen vorbestimmten Wert aufweist.
Demgemäß wird die elektromotorische Kraft im Konzentrationsmessmittel erzeugt, entsprechend der Differenz zwischen der Sauerstoffmenge, die im Messgas während des vom Hauptpumpmittel vorgenommenen Pumpvorgang enthalten ist, und der Sauerstoffmenge, die im Gas enthalten ist, das an der Seite der äußeren Messelektrode vorhanden ist. Die Höhe der Steuerspannung, die zwischen den inneren und äußeren Pumpelektroden des Hauptpumpmittels angelegt wird, wird auf der Basis der elektromotorischen Kraft mit Hilfe eines Hauptpumpsteuerungsmittels eingestellt.
Das Hauptpumpmittel nimmt den Pumpvorgang für eine Sauerstoffmenge im Messgas vor, das von außen eingeleitet wird, wobei die Menge der Höhe der Steuerspannung entspricht. Die Sauerstoffkonzentration im Messgas wird einer Feedback-Steuerung unterzogen, so dass die Sauerstoffkonzentration eine vorbestimmte Höhe aufweist, indem zum Hauptpumpmittel die Steuerspannung zugeführt wird, welche bereits in Bezug auf die Höhe, wie oben beschrieben, eingestellt wurde.
Insbesondere der Gassensor gemäß der vorliegenden Erfindung kann Stickstoffoxide wie NO und NO&sub2; mit hoher Genauigkeit messen.
Es wird bevorzugt, dass jedes der Substrate für die Konstruktion jedes der Prozessräume auf eine vorbestimmte Temperatur erwärmt wird, indem ein Heizmittel verwendet wird, um die erwünschten Eigenschaften einer Sauerstoffionen-Leitfähigkeit zu verleihen. In dieser Ausführungsform wird bevorzugt, dass die Elektroden, die im Prozessraum, auf den das Messpumpmittel oder das Konzentrationsdetektionsmittel einwirkt, angeordnet sind, auf dem Substrat auf einer Seite des Heizmittels angeordnet werden.
Ein Mittel, um dem Messgas einen vorbestimmten Diffusionswiderstand zu verleihen (als "erster Diffusionsgeschwindigkeits-Bestimmungsabschnitt" bezeichnet), kann zwischen dem Außenraum und dem Prozessraum, auf den das Hauptpumpmittel einwirkt, angeordnet werden. Weiters kann ein Mittel, um dem Messgas einen vorbestimmten Diffusionswiderstand zu verleihen (als "zweiter Diffusionsgeschwindigkeits-Bestimmungsabschnitt" bezeichnet), zwischen dem Prozessraum, auf den das Hauptpumpmittel wirkt, und dem Prozessraum, auf den das Messpumpmittel oder das Konzentrationsdetektionsmittel wirkt, angeordnet werden. In dieser Ausführungsform wird erwünscht, dass der Diffusionswiderstand des zweiten Diffusionsgeschwindigkeits-Bestimmungsabschnitts größer als der Diffusionswiderstand des ersten Diffusionsgeschwindigkeits -Bestimmungsabschnitts eingestellt wird.
Es wird bevorzugt, ein Rh-Cermet als Oxid-zersetzenden Katalysator zu verwenden, welcher im Prozessraum, auf den das Messpumpmittel oder das Konzentrationsdetektionsmittel einwirkt, angeordnet ist. Der Oxid-zersetzende Katalysator kann als eine Katalysatorschicht vorgesehen sein, die von der Elektrode getrennt ist.
Im Gassensor gemäß der vorliegenden Erfindung ist die äußere Detektionselektrode in einer Position angeordnet, die gegenüber einem Raum, in welchen das Bezugsgas eingebracht wird, freiliegt. Somit kann der Sauerstoff, der durch die Zersetzung der vorbestimmten Gaskomponente erzeugt wird, mit dem Sauerstoff verglichen werden, der im Bezugsgas enthalten ist, wodurch es möglich wird, die vorbestimmte Gaskomponente viel genauer nachzuweisen.
Insbesondere wird bevorzugt, dass die äußere Detektionselektrode in eine gemeinsame Einheit mit der äußeren Hilfspumpelektrode und der äußeren Messelektrode kombiniert wird. In dieser Ausführungsform liegt eine gemeinsame Elektrode, die als äußere Detektionselektrode des Messpumpmittels oder des Konzentrationsdetektionsmittels, als äußere Hilfspumpelektrode des Hilfspumpmittels und als äußere Messelektrode des Konzentrationsmessmittels dient, dem Bezugsgas-Einleitungsraum gegenüber frei. Die gemeinsame Elektrode kann als Bezugselektrode für die jeweiligen Detektionsvorgänge, die vom Messpumpmittel, Konzentrationsdetektionsmittel und Konzentrationsmessmittel ausgeführt werden, definiert werden. In Übereinstimmung mit dieser Definition kann die innere Detektionselektrode des Messpumpmittels und des Konzentrationsdetektionsmittels als Detektionselektrode definiert werden, die innere Hilfspumpelektrode des Hilfspumpmittels kann als eine Hilfselektrode definiert werden, und die innere Messelektrode des Konzentrationsmessmittels kann als eine Messelektrode definiert werden.
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung kann die Menge an im Messgas enthaltenen brennbaren Gasen auf der Basis eines Pumpstroms sehr genau gemessen werden, der einer Sauerstoffmenge entspricht, die in den Prozessraum, auf den das Messpumpmittel oder das Konzentrationsdetektionsmittel einwirkt, eingepumpt wird, um von den brennbaren Gasen gebunden zu werden. In dieser Ausführungsform wird die Steuerspannung, die für das Hauptpumpmittel eingestellt wird, so eingerichtet, dass die elektromotorische Kraft der Sauerstoffkonzentrationszelle z. B. 930 mV beträgt. Somit ist es möglich, das Messgas, in welchem kein brennbares Gas brennt, zum Prozessraum zu liefern, auf den das Messpumpmittel oder das Konzentrationsdetektionsmittel einwirkt.
Die oben angeführten und andere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen, in welchen eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beispielhaft veranschaulicht ist, besser ersichtlich.

Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt einen Grundriss eines Gassensors gemäß einer ersten Ausführungsform.
Fig. 2 zeigt einen Querschnitt entlang einer Linie A-A in Fig. 1.
Fig. 3 zeigt einen Querschnitt entlang einer Linie B-B in Fig. 2 gemeinsam mit einer Darstellung der Verteilung der Sauerstoffkonzentration in einer ersten Kammer.
Fig. 4 zeigt experimentelle Ergebnisse, die in einem ersten veranschaulichten Experiment erhalten wurden, wobei charakteristische Kurven bezüglich der Beziehung zwischen der Sauerstoffkonzentration in einem Messgas und dem Pumpstrom Ip1, der durch eine Hauptpumpzelle fließt, dargestellt sind.
Fig. 5 zeigt experimentelle Ergebnisse, die in einem zweiten veranschaulichten Experiment erhalten wurden, wobei charakteristische Kurven bezüglich der Beziehung zwischen der Sauerstoffkonzentration in einem Messgas und dem Pumpstrom Ip2, der durch eine Messpumpzelle fließt, dargestellt sind.
Fig. 6 zeigt experimentelle Ergebnisse, die in einem dritten veranschaulichten Experiment erhalten wurden, wobei charakteristische Kurven bezüglich der Sauerstoffkonzentration ein einem Messgas und dem Pumpstrom Ip2, der durch eine Messpumpzelle fließt, dargestellt sind.
Fig. 7 zeigt einen Querschnitt eines Gassensors gemäß einer zweiten Ausführungsform.
Fig. 8 zeigt experimentelle Ergebnisse, die in einem vierten veranschaulichten Experiment erhalten wurden, wobei charakteristische Kurven bezüglich der Beziehung zwischen der Sauerstoffkonzentration in einem Messgas und der elektromotorischen Kraft V2, die in einer Sauerstoffpartialdruck-Messdetektionszeile erzeugt wurde, dargestellt sind.
Fig. 9 zeigt experimentelle Ergebnisse, die in einem fünften veranschaulichten Versuch erhalten wurden, wobei charakteristische Kurven bezüglich der Beziehung zwischen der Sauerstoffkonzentration in einem Messgas und der elektromotorischen Kraft V2, die in einer Sauerstoffpartialdruck-Messdetektionszelle erzeugt wurde, dargestellt sind.
Fig. 10 zeigt einen Querschnitt eines Gassensors gemäß einer dritten Ausführungsform.
Fig. 11 zeigt einen Querschnitt eines Gassensors gemäß einer vierten Ausführungsform.
Fig. 12 zeigt eine Charakteristik des Gassensors gemäß der vierten Ausführungsform, wobei die Änderung der elektromotorischen Kraft, die in einer Sauerstoffpartialdruck- Messdetektionszelle erzeugt wird, abhängig von der Änderung in der NO-Konzentration veranschaulicht ist.
Fig. 13 zeigt experimentelle Ergebnisse, die in einem sechsten veranschaulichten Versuch erhalten wurden, wobei charakteristische Kurven bezüglich der Beziehung zwischen der Sauerstoffkonzentration in einem Messgas und der elektromotorischen Kraft V2, die in einer Sauerstoffpartialdruck-Messdetektionszelle erzeugt wurde, dargestellt sind.
Fig. 14 zeigt einen Querschnitt eines Systems eines Gasanalysators mit Hinblick auf die herkömmliche Technik.
Fig. 15 zeigt einen Querschnitt entlang einer Linie X-X in Fig. 14 gemeinsam mit einer Darstellung der Verteilung der Sauerstoffkonzentration in einer ersten Kammer.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Verschiedene erläuternde Ausführungsformen, in welchen der Gassensor gemäß der vorliegenden Erfindung auf Gassensoren zum Messen von Oxiden wie NO, NO&sub2;, SO&sub2;, CO&sub2; und H&sub2;O sowie nicht brennbaren Gasen wie CO und CnHm, die z. B. in atmosphärischer Luft und von Fahrzeugen oder Automobilen ausgestoßenen Abgasen enthalten sind, angewendet wird, ist nachstehend mit Bezug auf die Fig. 1 bis 13 erklärt. Wie in den Fig. 1 und 2 veranschaulicht, weist ein Gassensor 50A gemäß einer ersten Ausführungsform eine längliche plattenförmige Konfiguration als Gesamtes auf, umfassend z. B. 6 geschichtete Trockenelektrolyt-Schichten 52a bis 52f auf, die aus Keramikmaterialen basierend auf der Verwendung von Sauerstoffion-leitenden Trockenelektrolyten wie ZrO&sub2; bestehen. Die erste und die zweite Schicht vom Boden werden als erste bzw. zweite Substratschicht 52a, 52b bezeichnet. Die dritte und die fünfte Schicht vom Boden werden als erste bzw. zweite Abstandsschicht 52c, 52e bezeichnet. Die vierte und die sechste Schicht vom Boden werden als erste bzw. zweite Trockenelektrolyt-Schicht 52d, 52f bezeichnet.
Insbesondere die erste Abstandsschicht 52c ist auf die zweite Substratschicht 52b aufgeschichtet. Die erste Trockenelektrolyt-Schicht 52d, die zweite Abstandsschicht 52e und die zweite Trockenelektrolyt-Schicht 52 werden nacheinander auf die erste Abstandsschicht 52c aufgeschichtet.
Ein Raum (Bezugsgas-Einleitungsraum 54), in welchen ein Bezugsgas wie z. B. atmosphärische Luft, das als Bezugsgas für das Messen von Oxiden verwendet wird, eingeführt wird, wird zwischen der zweiten Substratschicht 52b und der ersten Trockenelektrolyt-Schicht 52d ausgebildet, wobei der Raum durch eine Unterseite der ersten Trockenelektrolyt-Schicht 52d, eine Oberseite der zweiten Substratschicht 52b und einer seitlichen Fläche der ersten Abstandsschicht 52c geteilt wird.
Die zweite Abstandsschicht 52e wird zwischen der ersten und der zweiten Trockenelektrolyt-Schicht 52d, 52f angeordnet. Der erste und der zweite Diffusionsgeschwindigkeits-Bestimmungsabschnitt 56, 58 werden ebenfalls zwischen der ersten und der zweiten Trockenelektrolyt-Schicht 52d, 52f angeordnet.
Eine erste Kammer 60 für das Einstellen des Partialdrucks des Sauerstoffs in einem Messgas G wird ausgebildet und durch eine Unterseite der zweiten Trockenelektrolyt- Schicht 52f, den Seitenflächen des ersten und des zweiten Diffusionsraten- Bestimmungsabschnitts 56, 58 sowie eine Oberseite der ersten Trockenelektrolyt- Schicht 52d begrenzt. Eine zweite Kammer 62 für das Feineinstellen des Partialdrucks des Sauerstoffs im Messgas G und für das Messen von Oxiden, wie z. B. Stickstoffoxide (NOx), im Messgas G wird ausgebildet und durch eine Unterseite der zweiten Trockenelektrolyt-Schicht 52f, eine Seitenfläche des zweiten Diffusionsraten- Bestimmungsabschnitts 58, eine Seitenfläche der zweiten Abstandsschicht 52e sowie eine Oberseite der ersten Trockenelektrolyt-Schicht 52d begrenzt.
Das Äußere kommuniziert mit der ersten Kammer 60 über den ersten Diffusionsraten- Bestimmungsabschnitt 56, und die erste Kammer 60 kommuniziert mit der zweiten Kammer 62 über den zweiten Diffusionsraten-Bestimmungsabschnitt 58.
Der erste und der zweite Diffusionsraten-Bestimmungsabschnitt 56, 58 verleihen dem Messgas G, das in die erste bzw. zweite Kammer 60, 62 eingeleitet werden soll, vorbestimmte Diffusionswiderstände. Jeder der ersten und zweiten Diffusionsraten- Bestimmungsabschnitte 56, 58 kann als ein Durchgang ausgebildet sein, der z. B. aus eine porösen Material besteht, oder als ein kleines Loch mit einer vorbestimmten Querschnittsfläche, so dass das Messgas G eingeleitet werden kann.
Insbesondere der zweite Diffusionsgeschwindigkeits-Bestimmungsabschnitt 58 ist mit einem porösen Material, das z. B. ZrO&sub2; umfasst, angeordnet und befüllt. Der Diffusionswiderstand des zweiten Diffusionsgeschwindigkeits-Bestimmungsabschnitts 58 ist größer ausgeführt als der Diffusionswiderstand des ersten Diffusionsraten- Bestimmungsabschnitts 56.
Der Gassensor 50A gemäß der ersten Ausführungsform umfasst innere Pumpelektroden 64a bis 64d, die sich aus porösen Cermet-Elektroden zusammensetzen, die auf den Innenwandflächen der ersten Kammer 60 gebildet werden. Eine äußere Pumpelektrode 66 ist auf einem Abschnitt, welcher der inneren Pumpelektrode 64a entspricht, der Oberseite der zweiten Trockenelektrolyt-Schicht 52f ausgebildet. Eine elektrochemische Pumpzelle, d. h. eine Hauptpumpzelle 68 wird durch die inneren Pumpelektroden 64a bis 64d, die äußere Pumpelektrode 66, die zweite Trockenelektrolyt-Schicht 52f, die zwischen den beiden Elektroden 64, 66 angeordnet ist, die erste Trockenelektrolyt- Schicht 52d sowie die zweite Abstandsschicht 52e gebildet.
Wie in Fig. 3 gezeigt, gehen die inneren Pumpelektroden 64a bis 64d ineinander über, so dass die Innenwandflächen der ersten Kammer 60 von diesen umgeben sind. Die innere Pumpelektrode 64a ist auf der Unterseite der zweiten Trockenelektrolyt-Schicht 52f angeordnet, welche die Oberseite der Wand für die Ausbildung der ersten Kammer 60 ist. Die innere Pumpelektrode 64b ist auf der Oberseite der ersten Trockenelektrolyt- Schicht 52d angeordnet, welche die Unterseite der Wand ausmacht. Die inneren Pumpelektroden 64c, 64d sind auf den Seitenflächen der Abstandsschicht 52e angeordnet, welche die Seitenfläche der Wand bildet. Die inneren Pumpelektroden 64a, 64b, 64c, 64d sind kontinuierlich ausgebildet und konstruiert.
Die inneren Pumpelektroden 64a bis 64d können die innere Pumpelektrode 64a allein verwenden, welche auf der Oberseite angeordnet ist, sowie die innere Pumpelektrode 64b allein verwenden, welche auf der Unterseite angeordnet ist. Alternativ dazu ist es möglich, dass die inneren Pumpelektroden 64a bis 64d drei Elektroden der inneren Pumpelektroden 64a, 64b verwenden, welche sowohl an den Ober- als auch an den Unterseiten angeordnet sind, sowie jede beliebige der Pumpelektroden 64c, 64d, die auf den Seitenflächen angeordnet sind.
Eine erwünschte Steuerspannung (Pumpspannung) Vp1 wird zwischen die inneren Pumpelektroden 64a bis 64d und die äußere Pumpelektrode 66 der Hauptpumpzelle 68 mit Hilfe einer externen, variablen Spannungsquelle 70 angelegt, damit ein Pumpstrom Ip1 in eine positive oder negative Richtung zwischen der äußeren Pumpelektrode 66 und den inneren Pumpelektroden 64a bis 64d fließen kann. Somit kann der Sauerstoff in der Atmosphäre der ersten Kammer 60 nach außen gepumpt werden, oder der Sauerstoff außerhalb der Kammer kann in die erste Kammer 60 eingepumpt werden.
Eine Messelektrode 72, die sich aus einer porösen Cermet-Elektrode mit einer ebenen und im Wesentlichen rechteckigen Gestalt zusammensetzt, wird auf einem Abschnitt (auf welchem die innere Pumpelektrode 64b nicht ausgebildet ist) angrenzend an den zweiten Diffusionsraten-Bestimmungsabschnitt 58 der Oberseite der ersten Trockenelektrolyt-Schicht 52d ausgebildet, um die erste Kammer 60 auszubilden. Eine Bezugselektrode 74 wird auf einem Abschnitt, der gegenüber dem Bezugsgas- Einleitungsraum 54 freiliegt, der Unterseite der ersten Trockenelektrolyt-Schicht 52d ausgebildet. Eine elektrochemische Sensorzelle, d. h. eine Sauerstoffpartialdruck- Steuerungsdetektionszelle 76, wird durch die Messelektrode 72, die Bezugselektrode 74 und die erste Trockenelektrolyt-Schicht 52d gebildet.
Eine elektromotorische Kraft wird zwischen der Messelektrode 72 und der Bezugselektrode 74 der Sauerstoffpartialdruck-Steuerungsdetektionszelle 76 basierend auf einer Sauerstoffkonzentrationsdifferenz zwischen der Atmosphäre in der ersten Kammer 60 und dem Bezugsgas (atmosphärische Luft) im Bezugsgas-Einleitungsraum 54 erzeugt. Der Partialdruck des Sauerstoffs in der Atmosphäre in der ersten Kammer 60 kann durch die Messung der erzeugten elektromotorischen Kraft mit Hilfe eines Voltmeters 78 nachgewiesen werden.
Die Spannung V1, die zwischen der Bezugselektrode 74 und der Messelektrode 72 erzeugt wird, ist eine elektromotorische Kraft der Sauerstoffkonzentrationszelle, erzeugt auf der Basis einer Differenz zwischen einem Sauerstoffpartialdruck im Bezugsgas, das in den Bezugsgas-Einleitungsraum 54 eingeleitet wird, und einem Sauerstoffpartialdruck im Messgas G in der ersten Kammer 60. Die Spannung V1 weist die folgende Beziehung auf, die als Nernst'sche Gleichung bekannt ist.
V1 = RT/4F·In(P1(O&sub2;)/PO/O&sub2;))
R: Gaskonstante;
T: absolute Temperatur;
F: Faradaysche Konstante;
P1 (O&sub2;)): Partialdruck des Sauerstoffs in der ersten Kammer 60;
P0(O&sub2;)): Partialdruck des Sauerstoffs im Bezugsgas.
Somit kann der Partialdruck des Sauerstoffs in der ersten Kammer 60 durch das Messen der auf Basis der Nernst'schen Gleichung erzeugten Spannung V1 mit Hilfe eines Voltmeters 78 nachgewiesen werden.
Der nachgewiesene. Wert des Partialdrucks des Sauerstoffs wird dazu verwendet, die Pumpspannung der variablen Energiequelle 70 durch ein Feedback-Steuerungssystem 80 zu regeln. Insbesondere der Pumpvorgang, der von der Hauptpumpzelle 68 durchgeführt wird, wird gesteuert; so dass der Partialdruck des Sauerstoffs in der ersten Kammer 60 einen vorbestimmten Wert aufweist, der ausreichend gering ist, um den Partialdruck des Sauerstoffs in der zweiten Kammer 62 im nächsten Schritt zu regeln.
Die inneren Pumpelektroden 64a bis 64d und die äußere Pumpelektrode 66 bestehen aus einem inaktiven Material mit einer niedrigen katalytischen Aktivität auf NOx, z. B. dem NO im Messgas G, das in die erste Kammer 60 eingeleitet wird. Insbesondere die inneren Pumpelektroden 64a bis 64d und die äußere Pumpelektrode 66 können aus einer porösen Cermet-Elektrode bestehen. In dieser Ausführungsform bestehen sie aus einem Metall wie Pt und einem Keramikmaterial wie ZrO&sub2;. Es ist insbesondere notwendig, dass die inneren Pumpelektroden 64a bis 64d und die Messelektrode 72, die in der ersten Kammer 60 in Kontakt mit dem Messgas G angeordnet ist, ein Material mit einer schwachen Reduzierbarkeit oder keiner Reduzierbarkeit hinsichtlich der NO- Komponenten im Messgas verwenden. Es wird bevorzugt, dass die inneren Pumpelektroden 64a bis 64d und die Messelektrode 72 z. B. aus einer Verbindung mit einer Perovskite-Struktur wie La&sub3;CuO&sub4;, einem ein Keramikmaterial umfassenden Cermet und einem Metall mit einer niedrigen katalytischen Aktivität wie Au, oder einem ein Keramikmaterial umfassendem Cermet, einem Metall der Pt-Gruppe und einem Metall mit einer niedrigen katalytischen Wirkung wie Au bestehen. Wenn eine Legierung, die Au und ein Metall der Pt-Gruppe umfasst, als Elektrodenmaterial verwendet wird, so wird bevorzugt, dass Au in einer Menge von 0,03 bis 35 Vol.-% der gesamten Metallkomponenten hinzugefügt wird.
Der Gassensor 50A gemäß der ersten Ausführungsform umfasst eine Detektionselektrode 82, die sich aus einer porösen Cermet-Elektrode mit einer ebenen und im Wesentlichen rechteckigen Gestalt zusammensetzt. Die Detektionselektrode 82 wird auf einem vom zweiten Diffusionsgeschwindigkeits-Bestimmungsabschnitt 58 getrennten Abschnitt, der Oberseite der ersten Trockenelektrolyt-Schicht 52d ausgebildet, um die zweite Kammer 62 zu formen. Eine elektrochemische Pumpzelle, d. h. eine Messpumpzelle 84, wird von der Detektionselektrode 82, der Bezugselektrode 74 und der ersten Trockenelektrolyt-Schicht 52d ausgebildet.
Die Detektionselektrode 82 kann ausgebildet werden, indem geeignet ein Stickstoffoxid zersetzender Katalysator, z. B. ein Rh-Cermet, ein Material mit einer niedrigen katalytischen Wirkung oder eine Kombination aus einem Stickstoffoxid zersetzenden Katalysator, der in der Umgebung eines Materials mit einer niedrigen katalytischen Wirkung angeordnet ist, ausgewählt wird. In dieser Ausführungsform besteht die Detektionselektrode 82 aus einem porösen Cermet, das Rh als ein Metall umfasst, das NOx als die Zielgaskomponente reduzieren kann, sowie Zirkoniumdioxid als ein Keramikmaterial.
Demgemäß wird das NOx, das im Messgas G vorhanden ist, das in die zweite Kammer 2 eingeleitet wird, durch die katalytische Wirkung, die durch die Detektionselektrode 82 ausgeübt wird, zersetzt. Eine konstante Spannung Vp2 in einer Höhe, bei welcher O&sub2;, das vom durch die Detektionselektrode 82 zersetzten NOx erzeugt wird, ausreichend hinaus hin zum Bezugsgas-Einleitungsraum 54 gepumpt werden kann, wird zwischen die Detektionselektrode 82 und die Bezugselektrode 74 mittels einer Gleichstromquelle 86 angelegt. Die Gleichstromquelle 86 kann eine Spannung mit einer ausreichenden Stärke, um einen Grenzstrom für das Pumpen von während der Zersetzung in der Messpumpzelle 84 erzeugtem Sauerstoff zu schaffen, anlegen.
Somit kann ein Pumpstrom Ip2 durch die Messpumpzelle 84, entsprechend einer Menge von Sauerstoff, die durch den von der Messpumpzelle 84 durchgeführten Pumpvorgang ausgepumpt wird, fließen. Der Pumpstrom Ip2 wird durch ein Amperemeter 88 nachgewiesen.
Eine Pumpspannung, die ausreicht, um NOx zu zersetzen, kann zwischen der Detektionselektrode 82 und der Bezugselektrode 74 angelegt werden. Alternativ dazu kann ein Oxid-zersetzender Katalysator für die Zersetzung von NOx in der zweiten Kammer 62 angeordnet werden. Somit kann O&sub2;, das durch die Wirkung der Pumpspannung und/oder den Oxid-zersetzenden Katalysator erzeugt wird, aus der zweiten Kammer 62 bei einer vorbestimmten Pumpspannung gepumpt werden.
Wie in Fig. 2 dargestellt, umfasst der Gassensor 50A gemäß der ersten Ausführungsform ein Heizgerät 90 für die Erzeugung von Wärme in Einklang mit der elektrischen Stromversorgung von außen. Das Heizgerät 90 ist vertikal zwischen die erste und die zweite Substratschicht 52a, 52b eingebettet. Das Heizgerät 90 ist vorgesehen, um die Leitfähigkeit des Sauerstoffions zu erhöhen. Eine Keramikschicht 92, die aus Aluminiumoxid oder dergleichen besteht, wird ausgebildet, um die Ober- und Unterseiten des Heizgerätes 90 zu bedecken, so dass das Heizgerät so von der ersten und der zweiten Substratschicht 52a, 52b elektrisch isoliert ist.
Das Heizgerät 90 ist so angeordnet, dass es sich über einen gesamten Bereich erstreckt, der von der ersten Kammer 60 zur zweiten Kammer 62 reicht. Auf diese Weise werden die erste und die zweite Kammer 60, 62 auf vorbestimmte Temperaturen erwärmt. Weiters werden auch die Hauptpumpzelle 68, die Sauerstoffpartialdruck- Steuerungsdetektionszelle 76 und die Messpumpzelle 84 erwärmt und auf vorbestimmten Temperaturen gehalten.
Der Gassensor 50A gemäß der ersten Ausführungsform weist im Grunde genommen die folgende Konstruktion auf. Im Anschluss daran werden seine Funktion und seine Wirkung erklärt.
Vor der Messung der Oxide wird der Gassensor 50A in einem Zustand eingestellt, in welchem das Messgas G in die erste Kammer 60 eingeleitet werden kann. Danach wird ein elektrischer Strom auf das Heizgerät 90 angelegt, so dass die erste und die zweite Trockenelektrolyt-Schicht 52d, 52f auf erwünschte Zustände aktiviert werden.
Im Anschluss daran wird mit der Messung der Oxide, die im Messgas G enthalten sind, begonnen, indem das Messgas G in den Gassensor 50A, der, wie zuvor ausgeführt, eingestellt wurde, eingeleitet wird.
Das Messgas G wird in die erste Kammer 60 unter einem vorbestimmten Diffusionswiderstand durch den ersten Diffusionsgeschwindigkeits- Bestimmungsabschnitt 56 eingeleitet. Der Partialdruck des im Messgas G enthaltenen Sauerstoffs wird so geregelt, dass er einen vorbestimmten Wert in Übereinstimmung mit einer vorbestimmten Pumpspannung Vp1 aufweist, die zwischen den inneren Pumpelektroden 64a bis 64d und der äußeren Pumpelektrode 66 mittels der variablen Energiequelle 70 angelegt wird.
Der Partialdruck des Sauerstoffs in der ersten Kammer 60 kann basierend auf einer Spannung V1 zwischen der Bezugselektrode 74 und der Messelektrode 72 gemessen und vom Voltmeter 78 nachgewiesen werden. Die Spannung V1 ist eine elektromotorische Kraft der Sauerstoffkonzentrationszelle, die durch die obige Nernst'sche Gleichung definiert ist. Die Pumpspannung Vp1, die von der variablen Energiequelle 70 angelegt wird, wird mit Hilfe des Feedback-Steuerungssystems 80 geregelt, so dass die Spannung V1 z. B. nicht mehr als 350 mV (nicht weniger als 1, 2 · 10&supmin;&sup8; atm, ausgedrückt als ein in den Partialdruck des Sauerstoffs umgewandelter Wert) beträgt. Auf diese Weise wird der Partialdruck des Sauerstoffs in der ersten Kammer 60 geregelt, damit dieser einen vorbestimmten Wert annimmt.
Das Messgas G, das ebenfalls auf einen vorbestimmten Partialdruck des Sauerstoffs in der ersten Kammer 60 geregelt wurde, wird in die zweite Kammer 62 über den zweiten Diffusionsgeschwindigkeits-Bestimmungsabschnitt 58 eingeleitet, dessen Diffusionswiderstand so festgelegt ist, dass er größer als jener des ersten Diffusionsgeschwindigkeits-Bestimmungsabschnitts 56 ist.
Die im Messgas G, das in die zweite Kammer 62 eingeleitet wird, enthaltenen Oxide, werden durch eine vorbestimmte Messpumpspannung Vp2 zersetzt, welche von der Gleichstromquelle 86 zwischen der Bezugselektrode 74 und der Detektionselektrode 82 oder vom in der zweiten Kammer 62 angeordneten Oxid-zersetzenden Katalysator angelegt wird. Das auf diese Weise erzeugte O&sub2; wird zum Bezugsgas-Einleitungsraum 54 hin durch die erste Trockenelektrolyt-Schicht 52d herausgepumpt. In diesem. Vorgang wird ein Stromwert Ip2, der durch die Bewegung von Sauerstoffionen erzeugt wird, durch das Amperemeter 88 gemessen. Die Konzentration der vorbestimmten Oxide, so z. B. NOx wie NO und NO&sub2;, die im Messgas enthalten sind, wird vom Stromwert Ip2 bestimmt.
Insbesondere der Gassensor 50A gemäß der ersten Ausführungsform umfasst in der ersten Kammer 60 die inneren Pumpelektroden 64a bis 64d, die so angeordnet sind, dass sie den Durchgang des Messgases G, das in die erste Kammer 60 eingeleitet wird, umgeben. Demgemäß kann die Konzentration des im Messgas G enthaltenen 02 sehr wirksam geregelt werden.
Wie in Fig. 3 dargestellt ist, sind die inneren Pumpelektroden 64a, 64b auf den Ober- und Unterseiten in der ersten Kammer 60 angeordnet. Demgemäß wird O&sub2; im Messgas G, das durch den ersten Diffusionsgeschwindigkeits-Bestimmungsabschnitt 56 eingeleitet wird, ionisiert und mit Hilfe der beiden inneren Pumpelektroden 64a, 64b herausgepumpt.
Hinsichtlich der vertikalen Richtung in der ersten Kammer 60 wird somit die Sauerstoffkonzentration so geregelt, dass sie, unabhängig von der vertikalen Position, gering ist, wie dies durch eine charakteristische Kurve A, im Vergleich zu einer herkömmlichen charakteristischen Kurve a, dargestellt ist. Hinsichtlich · der Breitenrichtung wird die Sauerstoffkonzentration geringfügig an einem mittleren Abschnitt erhöht, der dem Durchgang des Messgases G entspricht, wie dies durch die charakteristische Kurve B veranschaulicht ist; die Fluktuation der Sauerstoffkonzentration wird hingegen im Vergleich zur Breitenrichtung weitestgehend unterdrückt, wie ein Vergleich mit einer herkömmlichen charakteristischen Kurve b verdeutlicht. Da die inneren Pumpelektroden 64c, 64d ebenfalls an den Seitenflächen in der ersten Kammer 60 angeordnet sind, ist es möglich, die Sauerstoffkonzentration wirksamer zu regeln.
Nachfolgend sind zwei veranschaulichende Versuche beschrieben. Die veranschaulichten Experimente wurden anhand des Beispiels 1 sowie des Vergleichs- Beispiels 2 durchgeführt. Beispiel 1 basierte auf der Verwendung eines Systems, das in derselben Weise wie der Gassensor 50A gemäß der ersten Ausführungsform konstruiert ist, umfassend die inneren Pumpelektroden 64a bis 64d, die auf den Innenwandflächen der ersten Kammer 60 ausgebildet sind. Das Vergleichsbeispiel basierte auf der Verwendung eines Systems, das in derselben Weise konstruiert ist wie der Gassensor gemäß der in Fig. 14 gezeigten herkömmlichen Technik.
Im ersten veranschaulichenden Versuch wurde die Beziehung zwischen der Sauerstoffkonzentration (%), die im Messgas G enthalten ist, und dem Pumpstrom Ip1 (uA) beobachtet, der durch das Auspumpen von O&sub2; zwischen den inneren Pumpelektroden 64a bis 64d und der äußeren Pumpelektrode 66 erzeugt wurde, was Beispiel 1 und Vergleichsbeispiel betrifft. Die im ersten veranschaulichenden Versuch gewonnenen Ergebnisse sind in Fig. 4 dargestellt. In Fig. 4 stellt eine charakteristische Kurve C, die durch eine volle Linie angezeigt wird, ein im Beispiel 1 gewonnenes experimentelles Ergebnis und eine charakteristische Kurve c, die durch eine gestrichelte Linie angezeigt wird, ein im Vergleichsbeispiel gewonnenes Ergebnis dar.
Gemäß den in Fig. 4 gezeigten Versuchsergebnissen ist die charakteristische Kurve c des Beispiels 1 in einem Bereich der Sauerstoffkonzentration von 0 bis 20% linear, was auf die vergrößerte Fläche der inneren Pumpelektroden 64a bis 64d zurückzuführen ist, im Vergleich zur charakteristischen Kurve c des Vergleichsbeispiels. Aufgrund dessen ist zu verstehen, dass die Sauerstoffkonzentration im Beispiel 1 leicht über einen großen Bereich der im Messgas enthaltenen Sauerstoffkonzentration geregelt werden kann.
Im zweiten veranschaulichten Versuch wurde die Beziehung zwischen der Sauerstoffkonzentration (%), die im Messgas G enthalten ist, und dem Pumpstrom Ip2 (uA), der durch die Zersetzung von NOx zwischen der Detektionselektrode 82 und der Bezugselektrode 74 erzeugt wird, beobachtet, was Beispiel 1 und Vergleichsbeispiel betrifft. Die im zweiten veranschaulichten Versuch gewonnenen Ergebnisse sind in Fig. 5 abgebildet. In Fig. 5 stellt eine charakteristische Kurve D, die durch eine volle Linie angezeigt wird, ein im Beispiel 1 gewonnenes Ergebnis und eine charakteristische Kurve d, die durch eine gestrichelte Linie angezeigt wird, ein im Vergleichsbeispiel gewonnenes Ergebnis dar.
Gemäß den in Fig. 5 gezeigten Versuchsergebnissen stellt die charakteristische Kurve D des Beispiels 1 einen konstanten Pumpstrom Ip2 bereit, der unabhängig von der im Messgas G enthaltenen Sauerstoffkonzentration ist, wie ein Vergleich mit der charakteristischen Kurve d des Vergleichsbeispiels zeigt. Diese Tatsache beweist, dass die Messung von NOx in der zweiten Kammer 62 nicht beeinflusst wird, da das im Messgas G enthaltene O&sub2; in ausreichender Weise in die erste Kammer 60 durch die inneren Pumpelektroden 64a bis 64d ausgepumpt wird.
In Übereinstimmung mit den oben beschriebenen Ergebnissen kann im Messgas G enthaltenes O&sub2; sehr wirksam entfernt werden, indem die Fläche der inneren Pumpelektroden 64a bis 64d der Hauptpumpzelle 68 vergrößert werden, so dass der Durchgang für das Messgas G von den inneren Pumpelektroden 64a bis 64d, die an den Innenwandflächen der ersten Kammer 60 angeordnet sind, umgeben ist. Somit ist es möglich, die Menge an im Messgas G, das in die zweite Kammer 62 eingeleitet wird, enthaltenen Oxiden höchstgenau zu messen, ohne dass durch das 02 Einfluss genommen wird.
Der Gassensor 50A gemäß der ersten Ausführungsform wurde in einer Form erklärt, in welcher nur eine zweite Kammer 62 mit der ersten Kammer 60 verbunden ist. Es ist jedoch auch zulässig, eine Vielzahl von zweiten Kammern 62 bereit zu stellen, die mit der ersten Kammer 60 verbunden sind, so dass eine Vielzahl von Oxiden der verschiedensten Arten gleichzeitig gemessen werden kann. So wird z. B. eine dritte Kammer, die in derselben Weise wie die zweite Kammer 62 ausgebildet ist, bereit gestellt und in Serie mit der zweiten Kammer durch einen Diffusionsgeschwindigkeits- Bestimmungsabschnitt verbunden. Weiters wird eine Pumpspannung, die sich von der Pumpspannung unterscheidet, die an die Detektionselektrode 82 für die zweite Kammer 62 angelegt wird, an die Elektrode der dritten Kammer angelegt. Somit ist es möglich, andere Oxide als jene, die in der zweiten Kammer 62 gemessen werden, zu messen. Die Oxide umfassen z. B. NO, NO&sub2;, CO&sub2;, H&sub2;O und SO&sub2;. Es ist auch möglich, die dritte Kammer mit der zweiten Kammer 62 parallel zu verbinden.
Der Gassensor 50A gemäß der ersten Ausführungsform kann auch als ein Sensor für die hochgenaue Messung der Menge an brennbaren Gasen wie CO und Kohlenwasserstoff, die im Messgas G enthalten sind, verwendet werden.
In einer solchen Anwendung des Gassensors 50A gemäß der ersten Ausführungsform wird die Pumpspannung Vp1 geregelt, um eine elektromotorische Kraft V1 von z. B. 930 mV zu ergeben, welche durch die Sauerstoffpartialdruck-Steuerungsdetektionszeile 76 der Hauptpumpzelle 68 erzeugt wird. Demgemäß wird die Sauerstoffkonzentration in der ersten Kammer 60 eingestellt, um eine Konzentration zu erhalten, bei welcher kein brennbares Gas brennt.
Als nächstes wird das Messgas G in die zweite Kammer 62 eingeleitet. In der zweiten Kammer 62 wird die Messpumpspannung Vp2 der Gleichstromquelle 86 so geregelt, dass die elektromotorische Kraft der Sauerstoffkonzentrationszelle 450 mV beträgt. Es ist anzumerken, dass kein Oxid-zersetzender Katalysator in der zweiten Kammer 62 angeordnet ist.
Somit wird das brennbare Gas im Messgas G, das in die zweite Kammer 62 eingeleitet wird, an 02 gebunden, das von außen in die zweite Kammer 62 mit Hilfe der Messpumpspannung Vp2 gepumpt wird, welche auf die Detektionselektrode 82 angelegt wird. Auf diese Weise kann die Menge an brennbarem Gas gemessen werden, indem der Pumpstrom Ip2, der durch das Amperemeter 88 fließt, nachgewiesen wird.
Nachfolgend ist ein veranschaulichender Versuch (als "dritter veranschaulichender Versuch" zweckdienlicherweise bezeichnet) beschrieben. Im dritten veranschaulichenden Versuch wurde die Beziehung zwischen der Sauerstoffkonzentration (%), die im Messgas G enthalten ist, und dem Pumpstrom Ip2 (uA), der durch die Bindung von 02 und dem brennbaren Gas zwischen der Detektionselektrode 82 und der Bezugselektrode 74 erzeugt wird, beobachtet, was Beispiel 1 und Vergleichsbeispiel betrifft. Die im dritten veranschaulichenden Versuch gewonnenen experimentellen Ergebnisse sind in Fig. 6 dargestellt. In Fig. 6 stellt eine charakteristische Kurve E, die durch eine volle Linie angezeigt ist, ein im Beispiel 1 gewonnenes experimentelles Ergebnis dar, und eine charakteristische Kurve e, die durch eine gestrichelte Linie angezeigt ist, stellt ein Ergebnis dar, das im Vergleichsbeispiel erhalten wurde.
Gemäß den in Fig. 6 dargestellten Versuchsergebnissen stellt die charakteristische Kurve E des Beispiels 1 einen im Wesentlichen konstanten Pumpstrom bereit, unabhängig von der im Messgas G enthaltenen Sauerstoffkonzentration, wie ein Vergleich mit der charakteristischen Kurve e des Vergleichsbeispiels zeigt. Diese Tatsache beweist, dass die Messung des brennbaren Gases in der zweiten Kammer 62 nicht beeinflusst wird, da im Messgas G enthaltenes O&sub2; in ausreichender Weise mit Hilfe der inneren Pumpelektroden 64a bis 64d in die erste Kammer 60 ausgepumpt wird.
Nachfolgend ist ein Gassensor 50B gemäß einer zweiten Ausführungsform mit Bezug auf Fig. 7 beschrieben. Komponenten oder Teile des Gassensors 50B, die jenen entsprechen, die in Fig. 2 dargestellt sind, werden mit denselben Bezugsziffern bezeichnet, eine doppelte Erklärung derselben wird ausgelassen.
Wie in Fig. 7 dargestellt ist, weist der Gassensor 50B gemäß der zweiten Ausführungsform etwa dieselbe Struktur wie der Gassensor 50A gemäß der ersten Ausführungsform auf (siehe Fig. 2). Ersterer unterscheidet sich jedoch von letzterem insofern, als eine Sauerstoffpartialdruck-Messdetektionszelle 100 anstelle der Messpumpzelle 84 bereit gestellt ist.
Die Sauerstoffpartialdruck-Messdetektionszelle 100 umfasst eine Detektionselektrode 102, die auf einem Abschnitt, zur Ausbildung der zweiten Kammer 62, der Oberseite der ersten Trockenelektrolyt-Schicht 52d ausgebildet ist, die Bezugselektrode 74, die auf der Unterseite der ersten Trockenelektrolyt-Schicht 52d ausgebildet ist, sowie die erste Trockenelektrolyt-Schicht 52d.
In dieser Ausführungsform wird eine elektromotorische Kraft (elektromotorische Kraft einer Sauerstoffkonzentrationszelle) V2 zwischen der Detektionselektrode 102 und der Bezugselektrode 74 der Sauerstoffpartialdruck-Messdetektionszelle 100 erzeugt, was einer Differenz in der Sauerstoffkonzentration zwischen einer Atmosphäre rund um die Detektionselektrode 102 und einer Atmosphäre rund um die Bezugselektrode 74 entspricht.
Aus diesem Grund wird der Partialdruck des Sauerstoffs in der Atmosphäre rund um die Detektionselektrode 102, d. h. der Partialdruck des Sauerstoffs, der durch Sauerstoff definiert ist, welcher durch die Reduktion oder den Abbau der Messgaskomponenten (NOx) erzeugt wird, als ein Wert der Spannung V2 nachgewiesen, indem die elektromotorische Kraft (Spannung) V2, die zwischen der Detektionselektrode 102 und der Bezugselektrode 74 erzeugt wird, mit Hilfe eines Voltmeters 104 nachgewiesen wird.
Der Änderungsgrad der elektromotorischen Kraft V2 stellt die NOx-Konzentration dar. Die elektromotorische Kraft V2, die von der Sauerstoffpartialdruck-Messdetektionszelle 100 ausgegeben wird, welche durch die Detektionselektrode 102, die Bezugselektrode 74 und die erste Trockenelektrolyt-Schicht 52d ausgebildet wird, stellt die NOx- Konzentration im Messgas G dar.
Im Gassensor 50B gemäß der zweiten Ausführungsform sind die inneren Pumpelektroden 64a bis 64d so angeordnet, dass sie den Durchgang für das Messgas G, das in die erste Kammer 60 eingeleitet wird, umgeben. Demgemäß ist es möglich, die Konzentration von im Messgas G enthaltenen O&sub2; sehr wirksam zu regeln. Dadurch ist es möglich, NOx, einschließlich NO und NO&sub2;, unter Verwendung des Gassensors 50B höchstgenau zu messen.
Nun folgt die Beschreibung von zwei veranschaulichenden Versuchen (die als "vierter und fünfter veranschaulichender Versuch" bezeichnet werden). Die veranschaulichten Versuche wurden anhand des Beispiels 2 sowie des Vergleichsbeispiels durchgeführt. Beispiel 2 basierte auf der Verwendung eines Systems, das in derselben Weise wie der Gassensor 50B gemäß der zweiten Ausführungsform ausgebildet ist, umfassend die inneren Pumpelektroden 64a bis 64d, die auf den Innenwandflächen der ersten Kammer 60 ausgebildet sind. Das Vergleichsbeispiel basierte auf der Verwendung eines Systems, das in derselben Weise ausgebildet ist wie der Gassensor gemäß der in Fig. 14 gezeigten herkömmlichen Technik.
Im vierten veranschaulichten Experiment wurde die Beziehung zwischen der Sauerstoffkonzentration (%), die im Messgas G enthalten ist, und der elektromotorischen Kraft V2 (mV), die zwischen der Detektionselektrode 102 und der Bezugselektrode 74 der Sauerstoffpartialdruck-Messdetektionszelle 100 erzeugt wurde, beobachtet, was Beispiel 1 und Vergleichsbeispiel betrifft. Die im vierten veranschaulichten Versuch gewonnenen Ergebnisse sind in Fig. 8 abgebildet. In Fig. 8 stellt eine charakteristische Kurve F, die durch eine volle Linie angezeigt wird, ein im Beispiel 2 gewonnenes Ergebnis und eine charakteristische Kurve f, die durch eine gestrichelte Linie angezeigt wird, ein im Vergleichsbeispiel gewonnenes Ergebnis dar.
Gemäß den in Fig. 8 gezeigten Versuchsergebnissen stellt die charakteristische Kurve F des Beispiels 2 die minimierte Fluktuation der elektromotorischen Kraft V2 aufgrund der geringen Menge an O&sub2; dar, die in die zweite Kammer 62 eingeleitet wird, da O&sub2; in ausreichender Form in die erste Kammer 60 hinausgepumpt wird, was ein Vergleich mit der charakteristischen Kurve f des Vergleichsbeispiels zeigt. Somit kann die Konzentration der im Messgas G enthaltenen Oxiden sehr genau in der zweiten Kammer 62 gemessen werden, ohne dass ein Einfluss durch 02 besteht.
Im fünften veranschaulichten Versuch wurden das Beispiel 2 und das Vergleichsbeispiel auf Sensoren zum Messen der Menge an brennbarem Gas, wie etwa CO und Kohlenwasserstoff, das im Messgas G enthalten ist, angewendet, wobei die Beziehung zwischen der im Messgas G enthaltenen Sauerstoffkonzentration (%) und der elektromotorischen Kraft V2 (mv), die zwischen der Detektionselektrode 102 und der Bezugselektrode 74 der Sauerstoffpartialdruck-Messdetektionszelle 100 erzeugt wird, beobachtet wurde. Die im fünften veranschaulichten Versuch gewonnenen Ergebnisse sind in Fig. 9 dargestellt. In Fig. 9 stellt eine charakteristische Kurve G, die durch eine volle Linie angezeigt ist, ein im Beispiel 2 gewonnenes Ergebnis dar, und eine charakteristische Kurve g, die durch eine gestrichelte Linie angezeigt ist, stellt ein Ergebnis dar, das im Vergleichsbeispiel erhalten wurde.
Gemäß den in Fig. 9 gezeigten Versuchsergebnissen zeigt die charakteristische Kurve G des Beispiels 2 die minimierte Fluktuation der elektromotorischen Kraft V2 aufgrund der geringen Menge an O&sub2;, die in die zweite Kammer 62 eingeleitet wird, da O&sub2; in ausreichender Form in die erste Kammer 60 - in derselben Weise wie im obigen vierten Versuch beschrieben wurde - hinausgepumpt wird, was ein Vergleich mit der charakteristischen Kurve g des Vergleichsbeispiels zeigt. Somit kann die Konzentration der im Messgas G enthaltenen Oxiden sehr genau in der zweiten Kammer 62 gemessen werden, ohne dass ein Einfluss durch O&sub2; besteht.
Nachfolgend wird ein Gassensor 50C gemäß einer dritten Ausführungsform mit Bezug auf Fig. 10 beschrieben. Komponenten oder Teile des Gassensors 50C, die jenen entsprechen, die in Fig. 2 dargestellt sind, werden mit denselben Bezugsziffern bezeichnet, eine doppelte Erklärung derselben wird ausgelassen.
Wie in Fig. 10 dargestellt ist, weist der Gassensor 50B gemäß der dritten Ausführungsform etwa dieselbe Struktur wie der Gassensor 50A gemäß der ersten Ausführungsform auf (siehe Fig. 2). Ersterer unterscheidet sich jedoch von letzterem insofern, als eine poröse Al&sub2;O&sub3;-Schicht oder eine poröse ZrO&sub2;-Schicht für die Ausbildung eines dritten Diffusionsgeschwindigkeits-Bestimmungsabschnitts 110 ausgebildet wird, damit die Detektionselektrode 82 bedeckt ist, und weiters eine Hilfspumpzelle 112 bereit gestellt wird.
Die Hilfspumpzelle 112 umfasst eine Hilfspumpelektrode 114, die aus einer porösen Cermet-Elektrode mit einer ebenen und im Wesentlichen rechteckigen Gestalt besteht und auf einem Gesamtflächenabschnitt, zur Ausbildung der zweiten Kammer 62 der Unterseite der zweiten Trockenelektrolyt-Schicht 52f ausgebildet ist, die Bezugselektrode 74, die zweite Trockenelektrolyt-Schicht 52f, die zweite Abstandsschicht 52e und die erste Trockenelektrolyt-Schicht 52d.
Die Hilfspumpelektrode 114 wird hergestellt, indem ein Material verwendet wird, das eine schwache Reduzierbarkeit oder keine Reduzierbarkeit in Hinblick auf die NO- · Komponenten im Messgas aufweist, wie auch die innere Pumpelektrode 64 der Hauptpumpzelle 68. In dieser Ausführungsform wird bevorzugt, dass die Hilfspumpelektrode 114 z. B. aus einer Verbindung der Perovskite-Struktur wie La&sub3;CuO&sub4;, einem ein Keramikmaterial umfassenden Cermet und einem Metall mit einer niedrigen katalytischen Aktivität wie Au, oder einem ein Keramikmaterial umfassenden Cermet, einem Metall der Pt-Gruppe und einem Metall mit einer niedrigen katalytischen Aktivität wie Au besteht. Wenn eine Legierung, die Au und ein Metall der Pt-Gruppe umfasst, als Elektrodenmaterial verwendet wird, so wird bevorzugt, dass Au in einer Menge von 0,03 bis 35 Vol.-% der gesamten Metallkomponenten hinzugefügt wird.
Eine erwünschte Spannung Vp3 wird zwischen die Hilfspumpelektrode 114 und die Bezugselektrode 74 der Hilfspumpzelle 112 mittels einer externen Spannungsquelle 116 angelegt. Somit kann der Sauerstoff in der Atmosphäre der zweiten Kammer 62 zum Bezugsgas-Einleitungsraum 54 ausgepumpt werden.
Demgemäß befindet sich der Partialdruck des Sauerstoffs in der Atmosphäre in der zweiten Kammer 62 in einem Zustand, in welchem die Messgaskomponenten (NOx) nicht wesentlich reduziert oder zersetzt sind, währender jedoch einen niedrigen Wert des Partialdrucks des Sauerstoffs aufweist, bei welchem die Messung der Menge der Zielkomponenten nicht wesentlich beeinträchtigt wird. In dieser Ausführungsform wird die Änderung der Sauerstoffmenge, die in die zweite Kammer 62 eingeleitet wird, im Vergleich zur Änderung, die im Messgas G aufgrund des Betriebs der Hauptpumpzelle 68 in der ersten Kammer 60 eintritt, in einem großen Ausmaß verringert. Aus diesem Grund kann der Partialdruck des Sauerstoffs in der zweiten Kammer 62 genau und konstant geregelt werden.
Der Gassensor 50C gemäß der dritten Ausführungsform umfasst die Gleichstromquelle 86. NOx strömt in die Messpumpzelle 84, während es vom dritten Diffusionsgeschwindigkeits-Bestimmungsabschnitt 110 begrenzt wird. Unter diesem Umstand ist die Gleichstromquelle 86 fähig, eine Spannung mit einer Größe anzulegen, um somit einen Grenzstrom für das Pumpen festzulegen, welches für den während des Abbaus in der Messpumpzelle 84 erzeugten Sauerstoff durchgeführt wird.
Somit wird im Gassensor SOC gemäß der dritten Ausführungsform, die wie obig konstruiert ist, das Messgas G, das auf seinen Partialdruck des Sauerstoffs in der zweiten Kammer 62 kontrolliert worden ist, in die Detektionselektrode 82 unter einem vorbestimmten Diffusionswiderstand durch den dritten Diffusionsgeschwindigkeits- Bestimmungsabschnitt 110 eingeleitet.
Wird beabsichtigt, den Partialdruck des Sauerstoffs in der Atmosphäre der ersten Kammer 60 niedrig zu halten, um einen niedrigen Partialdruck des Sauerstoffes zu erhalten wodurch die Messung des NOx im Wesentlichen unbeeinflusst bleibt, indem die Hauptpumpzelle 68 betrieben wird, d. h. wenn die Pumpspannung Vp1 der variablen Spannungsquelle 70 mittels eines Rückkopplungs-Steuerungssystems 80 eingestellt wird, so dass die durch die Sauerstoffpartialdruck-Steuerungsdetektionszelle 76 nachgewiesene Spannung V1 konstant ist, wenn die Sauerstoffkonzentration im Messgas G sich beträchtlich ändert, so z. B. in einem Bereich von 0 bis 20%, dann ändern sich die jeweiligen Partialdrücke des Sauerstoffs in der Atmosphäre in der zweiten Kammer 62 und in der Atmosphäre in der Umgebung der Detektionselektrode 82 in normalen Fällen geringfügig. Dieses Phänomen wird wahrscheinlich aus folgendem Grund ausgelöst. Wenn die Sauerstoffkonzentration im Messgas G ansteigt, tritt die Verteilung der Sauerstoffkonzentration in die Breitenrichtung und die Dickenrichtung in der ersten Kammer 60 über die Messelektrode 72 auf. Die Verteilung der Sauerstoffkonzentration ändert sich abhängig von der Sauerstoffkonzentration im Messgas G.
Im Falle des Gassensors 50C gemäß der dritten Ausführungsform wird die Hilfspumpzelle 112 für die zweite Kammer 62 bereit gestellt, so dass der Partialdruck des Sauerstoffs in ihrer inneren Atmosphäre immer einen konstant niedrigen Wert aufweist. Selbst wenn der Partialdruck des Sauerstoffs in der Atmosphäre, die von der ersten Kammer 60 in die zweite Kammer 62 eingeleitet wird, sich abhängig von der Sauerstoffkonzentration im Messgas G ändert, kann der Partialdruck des Sauerstoffs in der Atmosphäre der zweiten Kammer 62 demgemäß immer so eingestellt werden, dass er einen konstant niedrigen Wert aufweist, was auf den Pumpbetrieb durch die Hilfspumpzelle 112 zurückzuführen ist. Daraus ergibt sich, dass der Partialdruck des Sauerstoffs so geregelt werden kann, dass er einen niedrigen Wert aufweist, bei welchem die Messung des NOx nicht wesentlich beeinträchtigt wird.
Das NOx im Messgas G, das in die Detektionselektrode 82 eingeleitet wird, wird um die Detektionselektrode 82 herum reduziert oder abgebaut. Somit wird z. B. eine Reaktion von NO → 1/2N&sub2; + 1/2O&sub2; ermöglicht. In diesem Vorgang wird eine vorbestimmte Spannung Vp2, z. B. 430 mV (700ºC) zwischen die Detektionselektrode 82 und die Bezugselektrode 74 für die Ausbildung der Messpumpzelle 84 in einer Richtung angelegt, um den Sauerstoff aus der zweiten Kammer 62 zum Bezugsgas- Einleitungsraum 54 zu pumpen.
Aus diesem Grund weist der Pumpstrom Ip2, der durch die Messpumpzelle 84 strömt, einen Wert auf, der proportional zu einer Summe der Sauerstoffkonzentration in der Atmosphäre ist, die in die zweite Kammer 62 eingeleitet wird, d. h. die Sauerstoffkonzentration in der zweiten Kammer 62 und die Sauerstoffkonzentration, die durch die Reduktion oder den Abbau von NOx mit Hilfe der Detektionselektrode 82 erzeugt wird.
In dieser Ausführungsform wird die Sauerstoffkonzentration in der Atmosphäre in der zweiten Kammer 62 durch die Hilfspumpzelle 112 so geregelt, dass sie konstant ist.
Demgemäß ist der Pumpstrom Ip2, der durch die Messpumpzelle 84 strömt, proportional zur NOx-Konzentration. Die NOx-Konzentration entspricht der Diffusionsmenge des NOx, das durch den dritten Diffusionsraten-Bestimmungsabschnitt 110 begrenzt ist. Selbst wenn die Sauerstoffkonzentration im Messgas G sich sehr ändert, ist es somit möglich, die NOx-Konzentration basierend auf der Verwendung der Messpumpzelle 84 mit Hilfe des Amperemeters 88 genau zu messen.
Es wird z. B. angenommen, dass der Partialdruck des Sauerstoffs in der Atmosphäre der zweiten Kammer 62, der durch die Hilfspumpzelle 112 geregelt wird, 0,02 ppm beträgt, und dass die NO-Konzentration als NOx-Komponente im Messgas 100 ppm beträgt. Der Pumpstrom Ip2 strömt in einer Menge, die einer Summe (= 50,02 ppm) einer Sauerstoffkonzentration von 50 ppm, die durch Reduktion oder Abbau von NO erzeugt wird, und der Sauerstoffkonzentration von 0,02 ppm in der Atmosphäre in der zweiten Kammer 62 entspricht. Aus diesem Grund stellt beinahe der gesamte Pumpstromwert Ip2, der durch den Betrieb der Messpumpzelle 84 erhalten wird, die Menge dar, die durch die Reduktion oder den Abbau von NO erzielt wird. Demgemäß hängt das erhaltene Ergebnis nicht von der Sauerstoffkonzentration im Messgas ab.
Nachfolgend ist ein Gassensor 50D gemäß einer vierten Ausführungsform mit Bezug auf Fig. 11 erklärt. Komponenten oder Teile des Gassensors 50D, die jenen entsprechen, die in den Fig. 7 und 10 dargestellt sind, werden mit denselben Bezugsziffern bezeichnet, eine doppelte Erklärung derselben wird ausgelassen.
Wie in Fig. 11 dargestellt ist, weist der Gassensor 50D gemäß der vierten Ausführungsform etwa dieselbe Struktur wie der Gassensor 50B gemäß der zweiten Ausführungsform auf (siehe Fig. 7). Ersterer unterscheidet sich jedoch von letzterem insofern, als eine poröse Al&sub2;O&sub3;-Schicht oder eine poröse ZrO&sub2;-Schicht für die Konstruktion eines dritten Diffusionsgeschwindigkeits-Bestimmungsabschnitts 110 ausgebildet wird, damit die Detektionselektrode 82 bedeckt ist, und weiters eine Hilfspumpzelle 112 bereit gestellt wird, in derselben Weise wie der Gassensor 50C gemäß der dritten Ausführungsform (siehe Fig. 10).
In dieser Ausführungsform befindet sich der Partialdruck des Sauerstoffs in der Atmosphäre in der zweiten Kammer 62 in einem Zustand, in welchem die Messgaskomponenten (NOx) nicht wesentlich reduziert oder zersetzt sind, während er jedoch einen niedrigen Wert des Partialdrucks des Sauerstoffs aufweist, bei welchem die Messung der Menge der Zielkomponenten nicht wesentlich beeinträchtigt wird, wie dies auch für den Gassensor 50C gemäß der dritten Ausführungsform der Fall ist. Die Änderung der Sauerstoffmenge, die in die zweite Kammer 62 eingeleitet wird, wird im Vergleich zur Änderung, die im Messgas G aufgrund des Betriebs der Hauptpumpzelle 68 in der ersten Kammer 60 eintritt, in einem großen Ausmaß verringert. Aus diesem Grund kann der Partialdruck des Sauerstoffs in der zweiten Kammer 62 genau und konstant geregelt werden.
Selbst wenn die Sauerstoffkonzentration im Messgas G sich sehr ändert, ist es möglich, die NOx-Konzentration basierend auf der Verwendung der Sauerstoffpartialdruck- Messdetektionszelle 100 mit Hilfe des Voltmeters 104 genau zu messen.
Nachfolgend sind die Prinzipien der Detektion, die durch den Gassensor 50D gemäß der vierten Ausführungsform ausgeführt wird, mit Bezug auf die Fig. 12, welche eine Charakteristik des Gassensors 50D veranschaulicht, erklärt.
Wenn die NO-Konzentration im Außenraum 0 ppm beträgt, wird zuerst die Pumpspannung Vp1 der Hauptpumpzelle 68 geregelt, so dass der Partialdruck des Sauerstoffs in der Atmosphäre der ersten Kammer 60 bei 1,3 · 10&supmin;&sup7; atm gehalten wird, d. h. so dass sich ein Wert der elektromotorischen Kraft V1 von etwa 300 mV ergibt.
Im nächsten Schritt wird die festgelegte Spannung Vp3, die an die Hilfspumpzelle 112 angelegt wird, auf 460 mV eingestellt. Der Partialdruck des Sauerstoffs in der zweiten Kammer 62 wird auf 6,1 · 10&supmin;¹¹ atm aufgrund des Betriebs der Hilfspumpzelle 112 geregelt. Daraus ergibt sich, dass die elektromotorische Kraft V2 zwischen der Detektionselektrode 102 und der Bezugselektrode 74 der Säuerstoffpartialdruck- Messdetektionszelle 100 etwa 460 mV beträgt.
In diesem Fall werden die Komponenten des brennbaren Gases in der ersten Kammer 60 oxidiert, wobei die Empfindlichkeit auf NOx in diesem Zusammenhang nicht beeinträchtigt wird, da der Partialdruck des Sauerstoffs in der ersten Kammer 60 1,3 · 10&supmin;³ atm beträgt, unabhängig von der Tatsache, dass der Partialdruck des Sauerstoffs in der zweiten Kammer 62 gleich 6,1 · 10&supmin;¹¹ atm beträgt.
Steigt die NO-Konzentration im externen Raum allmählich an, so wird auf der Detektionselektrode 102 die Reduktions- oder Abbaureaktion des NO ausgelöst, da die Detektionselektrode 102 auch als NO-reduzierender Katalysator in derselben Weise wie die Detektionselektrode 82 der Messpumpzelle 84 wirkt, die oben (siehe Fig. 2) beschrieben wurde. Als Resultat davon wird die Sauerstoffkonzentration in der Atmosphäre rund um die Detektionselektrode 102 erhöht. Demgemäß wird die elektromotorische Kraft V2, die zwischen der Detektionselektrode 102 und der Bezugselektrode 74 erzeugt wird, allmählich gesenkt. Mit Bezug auf Fig. 12, welche die Charakteristik des Gassensors 50D veranschaulicht, wird die elektromotorische Kraft V2, die durch das Voltmeter 104 nachgewiesen wird, allmählich auf 300 mV, 250 mV und 220 mV abgesenkt, wenn z. B. die NO-Konzentration auf 300 ppm, 500 ppm und 1000 ppm ansteigt.
Der Grad, in welchem die elektromotorische Kraft V2 ansteigt, stellt die NO- Konzentration dar. Die elektromotorische Kraft V2, die von der Sauerstoffpartialdruck- Messdetektionszelle 100 ausgegeben wird, welche aus der Detektionselektrode 102, der Bezugselektrode 74 und der ersten Trockenelektrolyt-Schicht 52d gebildet wird, stellt die NO-Konzentration im Messgas G dar.
Im Anschluss ist ein veranschaulichender Versuch (als "sechster veranschaulichender Versuch" zweckdienlicherweise bezeichnet) beschrieben. Der fünfte veranschaulichende Versuch wurde anhand des Beispiels 3 und des Vergleichsbeispiels durchgeführt. Beispiel 3 basierte auf der Verwendung eines Systems, das in derselben Weise wie der Gassensor 50D gemäß der vierten Ausführungsform ausgebildet ist, umfassend die inneren Pumpelektroden 64a bis 64d, die auf den Innenwandflächen der ersten Kammer 60 ausgebildet sind. Das Vergleichsbeispiel basierte auf der Verwendung eines Systems, das durch das Bereitstellen einer Hilfspumpzelle 112 für den Gassensor gemäß der herkömmlichen, in Fig. 14 gezeigten, Technik ausgebildet wird. Im sechsten veranschaulichenden Versuch wurde die Änderung der elektromotorischen Kraft V2, die in der Sauerstoffpartialdruck-Messdetektionszelle 100 erzeugt wurde, beobachtet, indem die Sauerstoffkonzentration in einem Bereich von 0 bis 20% in einem Messgas G, das die grundlegenden Gaskomponenten basierend auf einem N&sub2;-H&sub2;O-System umfasst, geändert wurde. Die NO-Komponente war nicht im Messgas G enthalten, da beabsichtigt war, die Art der Änderung der elektromotorischen Kraft V2 korrekt zu messen, welche man erhält, indem nur die Sauerstoffkonzentration im Messgas G geändert wird.
Im Beispiel 3 betrug die Pumpspannung Vp1 der Hauptpumpzelle 68 (äquivalent zur elektromotorischen Kraft V1) 300 mV, und die Hilfspumpspannung Vp3 der Hilfspumpzelle 112 betrug 460 mV.
Die im sechsten veranschaulichenden Versuch gewonnenen Ergebnisse sind in Fig. 13 dargestellt. In Fig. 13 stellt eine charakteristische Kurve, die durch eine volle Linie angezeigt ist, ein Versuchsergebnis des Beispiels 3 dar, und eine charakteristische Kurve, die durch eine gestrichelte Linie angezeigt ist, stellt ein Versuchsergebnis des Vergleichsbeispiels dar.
Wie aus den Versuchsergebnissen in Fig. 13 ersichtlich ist, sinkt die elektromotorische Kraft V2 im Vergleichsbeispiel, während sich die Sauerstoffkonzentration im Messgas G erhöht. Wenn z. B. die Sauerstoffkonzentration 0% beträgt, so beträgt die elektromotorische Kraft 460 mV. Wenn jedoch die Sauerstoffkonzentration 20% beträgt, beträgt die elektromotorische Kraft 425 mV.
Andererseits zeigt sich im Beispiel 3 der synergistische Effekt des Pumpbetriebs, der durch die Hilfspumpzelle 112 vorgenommen wird, sowie die Ausbildung der inneren Pumpelektroden 64a bis 64d der Hauptpumpzelle 68, die an den Innenwandflächen der ersten Kammer 60 angeordnet sind. Es ist zu verstehen, dass die in der Sauerstoffpartialdruck-Messdetektionszelle 100 erzeugte elektromotorische Kraft V2 sich kaum ändert, selbst wenn die Sauerstoffkonzentration im Messgas G sich in einem Bereich von 0 auf 20% ändert, und auch die O&sub2;-Abhängigkeit der elektromotorischen Kraft V2 wird enorm minimiert.
Wenn das Messgas G die NO-Komponente enthält, wird demgemäß die elektromotorische Kraft V2, die einer Menge an NO entspricht, zwischen der Detektionselektrode 102 und der Bezugselektrode 74 für die Ausbildung der Sauerstoffpartialdruck-Messdetektionszelle 100 erzeugt. Die Menge an NO kann korrekt durch den Nachweis der elektromotorischen Kraft V2 bestimmt werden.
Die Gassensoren 50C, 50D gemäß der dritten und vierten Ausführungsform wurden für den Fall veranschaulicht, dass die Hilfspumpelektrode 114 für die Ausbildung der Hilfspumpzelle 112 nur auf dem Oberseitenabschnitt der zweiten Kammer 62 ausgebildet wird. Alternativ dazu kann die Hilfspumpelektrode 114 in einer kontinuierlichen Weise über die Innenwandflächen der zweiten Kammer 62 ausgebildet werden, wie dies auch für die inneren Pumpelektroden 64a bis 64d für die Ausbildung der Hauptpumpzelle 68 der Fall ist. In einer solchen Ausführungsform ist es möglich, wirksam die überschüssige O&sub2;-Komponente, die in die zweite Kammer 62 eingeleitet wurde, zu entfernen.

Claims

1. Gassensor, umfassend:

ein Hauptpumpmittel (68), das innere und äußere Pumpelektroden (64a bis 64d, 66) umfasst, die an Innen- und Außenflächen eines Substrats angeordnet sind, das aus einem Sauerstoffion-leitenden Trockenelektrolyten besteht, zur Durchführung eines Pumpvorgangs für Sauerstoff, der in einem von außen eingeleiteten Messgas (G) enthalten ist, auf Basis einer Steuerspannung (Vp1), die zwischen den inneren und äußeren Pumpelektroden (64a bis 64d, 66) angelegt wird; sowie

ein ein elektrisches Signal erzeugendes Umwandlungsmittel, das innere und äußere Detektionselektroden (82 oder 102, 74) umfasst, die an Innen- und Außenflächen eines Substrats angeordnet sind, das aus einem Sauerstoffion-leitenden Trockenelektrolyten besteht, zum Abbau einer vorbestimmten Gaskomponente, die im Messgas (G) enthalten ist, nachdem es dem vom Hauptpumpmittel (68) vorgenommenen Pumpvorgang unterzogen wurde, mit Hilfe von Katalyse und/oder Elektrolyse, um durch Umwandlung ein elektrisches Signal (Ip2 oder V2) zu erzeugen, das einer durch den Abbau erzeugten Sauerstoffmenge entspricht, worin:

das Hauptpumpmittel (68) eine Vielzahl der inneren Pumpelektroden (64a bis 64d) umfasst, die zumindest an Ober- und Unterseiten eines Prozeßraums (60) angeordnet sind, auf den das Hauptpumpmittel (68) wirkt; und

die im Messgas (G) enthaltene vorbestimmte Gaskomponente auf Basis des elektrischen Signals (Ip2 oder V2) gemessen wird, das von dem ein elektrisches Signal erzeugenden Umwandlungsmittel geliefert wird.

2. Gassensor nach Anspruch 1, worin das ein elektrisches Signal erzeugende Umwandlungsmittel umfasst:

ein Messpumpmittel (84), das die inneren und äußeren Detektionselektroden (84, 74) umfasst, die an den Innen- und Außenflächen des Substrats angeordnet sind, das aus dem Sauerstoffion-leitenden Trockenelektrolyten besteht, zum Abbau der vorbestimmten Gaskomponente, die im Messgas (G) enthalten ist, nachdem es dem vom Hauptpumpmittel (68) durchgeführten Pumpvorgang unterzogen wurde, mit Hilfe der Katalyse und/oder Elektrolyse, und Durchführung eines Pumpvorgangs für den durch den Abbau erzeugten Sauerstoff auf Basis einer Messspannung (Vp2), die zwischen den inneren und äußeren Detektionselektroden (82, 74) angelegt wird; und

ein Stromdetektionsmittel (88) zum Detektieren eines Pumpstroms (Ip2), der entsprechend einer Menge des Sauerstoffs erzeugt wird, der dem vom Messpumpmittel (84) durchgeführten Pumpvorgang unterzogen wird, worin:

die vorbestimmte Gaskomponente im Messgas (G) auf Basis des vom Stromdetektionsmittel (88) ermittelten Pumpstroms (Ip2) gemessen wird.

3. Gassensor nach Anspruch 1, worin das ein elektrisches Signal erzeugende Umwandlungsmittel umfasst:

ein Konzentrationsdetektionsmittel (100), das die inneren und die äußeren Detektionselektroden (102, 74) umfasst, die an den Innen- und Außenflächen des Substrats aus dem Sauerstoffion-leitenden Trockenelektrolyten angeordnet sind; um die im Messgas

(G) enthaltene vorbestimmte Gaskomponente mit Hilfe von Katalyse und/oder Elektrolyse abzubauen, nachdem es dem vom Hauptpumpmittel (68) durchgeführten Pumpvorgang unterzogen worden ist, und eine elektromotorische Kraft (V2) zu erzeugen, die einer Differenz zwischen der durch den Abbau erzeugten Sauerstoffmenge und einer Sauerstoffmenge entspricht, die in einem Gas enthalten ist, das auf einer Seite der äußeren Detektionselektrode (74) vorhanden ist; sowie

ein Spannungsdetektionsmittel (104) zum Detektieren der vom Konzentrationsdetektionsmittel (100) erzeugten elektromotorischen Kraft (V2), worin:

die vorbestimmte Gaskomponente im Messgas (G) auf Basis der vom Spannungsdetektionsmittel (104) ermittelten elektromotorischen Kraft (V2) gemessen wird.

4. Gassensor nach Anspruch 1, worin die vorbestimmte Gaskomponente ein Oxid ist.

5. Gassensor nach Anspruch 4, worin das Oxid ein Stickstoffoxid ist.

6. Gassensor nach Anspruch 1, worin die vorbestimmte Gaskomponente ein brennbares Gas ist und das Hauptpumpmittel (68) so betrieben wird, dass eine Atmosphäre im Prozeßraum (60), auf den das Hauptpumpmittel (68) einwirkt, so eingestellt wird, dass sie eine vorbestimmte Sauerstoffmenge enthält, bei der das brennbare Gas nicht brennt.

7. Gassensor nach Anspruch 6, worin das brennbare Gas ein Gas wie Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoff ist.

8. Gassensor nach Anspruch 1, worin die inneren Pumpelektroden (64a bis 64d) an den Ober- und Unterseiten und an zumindest einer der Seitenflächen des Prozeßraums (60) angeordnet sind, auf den das Hauptpumpmittel (68) einwirkt, und die inneren Pumpelektroden (64a bis 64d) elektrisch miteinander verbunden sind.

9. Gassensor nach Anspruch 1, weiters umfassend eine Vielzahl von Prozeßräumen, die jeweils einen Diffusionsraten-Bestimmungsabschnitt aufweisen, um dem Messgas (G) einen vorbestimmten Diffusionswiderstand zu geben, und urim verschiedene Typen von Oxiden bzw. brennbaren Gasen zu messen.

10. Gassensor nach Anspruch 1, worin die inneren Pumpelektroden (64a bis 64d) aus einem inaktiven Material mit niedriger katalytischer Wirkung auf Oxide bestehen.

11. Gassensor nach Anspruch 1, worin die Steuerspannung (Vp1), die dem Hauptpumpmittel (68) zugeführt wird, eine Spannung ist, bei der der Sauerstoff-Partialdruck im Prozeßraum (60), auf den das Hauptpumpmittel (68) einwirkt, nicht unter 2 · 10&supmin;&sup8; atm liegt.

12. Gassensor nach Anspruch 1, weiters umfassend ein Hilfspumpmittel (112), das innere und äußere Hilfspumpelektroden (114, 74) umfasst, die an den Innen- und den Außenflächen des aus Sauerstoffion-leitendem Trockenelektrolyten bestehenden Substrats angeordnet sind, zur Durchführung eines Pumpvorgangs für Sauerstoff, der im Messgas (G) enthalten ist, nachdem es dem vom Hauptpumpmittel (68) durchgeführten Pumpvorgang unterzogen worden ist, auf Basis einer Hilfspumpspannung (Vp3), die zwischen den inneren und den äußeren Hilfspumpelektroden (114, 74) angelegt wird.

13. Gassensor nach Anspruch 12, worin das Hilfspumpmittel (112) eine Vielzahl der inneren Hilfspumpelektroden (114) umfasst, die zumindest an den Ober- und den Unterseiten des Prozeßraums (62) angeordnet sind, auf den das Hilfspumpmittel (112) einwirkt.

14. Gassensor nach Anspruch 1, weiter umfassend:

ein Konzentrationsdetektionsmittel (76), das eine innere Messelektrode (72), die gegenüber dem Prozeßraum (60) freiliegt, auf den das Hauptpumpmitte) (68) einwirkt, sowie eine äußere Messelektrode (74), die gegenüber einem Bezugsgas-Einleitungsraum (54) freiliegt, zum Messen einer elektromotorischen Kraft (V1) einer Sauerstoffkonzentrationszelle umfasst, die zwischen den inneren und den äußeren Messelektroden (72, 74) erzeugt wird, als ein Sauerstoff-Partialdruck im Prozeßraum (60), auf den das Hauptpumpmittel (68) einwirkt; und

ein Hauptpumpsteuerungsmittel (80) zum Einstellen einer Höhe der Steuerspannung (Vp1), so dass die elektromotorische Kraft (V1) der Sauerstoffkonzentrationszelle, die vom Konzentrationsmessmittel (76) ermittelt wird, einen vorbestimmten Wert hat.