JP2003247976A - ガス分析計及びその校正方法 - Google Patents

ガス分析計及びその校正方法

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JP2003247976A JP2003081050A JP2003081050A JP2003247976A JP 2003247976 A JP2003247976 A JP 2003247976A JP 2003081050 A JP2003081050 A JP 2003081050A JP 2003081050 A JP2003081050 A JP 2003081050A JP 2003247976 A JP2003247976 A JP 2003247976A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 連続的に応答性が良く、長時間正確な測定を
可能とし、低濃度の被測定ガス成分の測定に際しても高
いS/N比が得られ、大きな信号変化を得ることの出来
るガス分析計及びその校正方法を提供する。 【解決手段】 ガスセンサ100と、ガスセンサ100
における第一乃至第三の処理ゾーンを酸素ポンピングす
るための駆動部101と、第三の電気化学的ポンプセル
に流れるポンピング電流を被測定ガス値に演算するとと
もに、第一の処理ゾーンでのポンピング電流を導き、被
測定雰囲気の酸素量、若しくは不足酸素量、又は当量を
演算する演算部102と、演算部102にて演算された
値を表示するか、又は電気的出力として外部へ取り出す
表示出力部103と、ガスセンサ100を所定温度に加
熱するヒータ駆動部104とを備えたことを特徴とする
ガス分析計。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】 本発明は、NOXなどの測
定すべきガス成分が結合酸素を有するものを測定するガ
ス分析計及びその校正方法に関する。
【0002】
【従来の技術】 従来より、被測定ガス中の所望のガス
成分の濃度を知るために、各種の測定方法や装置が提案
されてきており、例えば、燃焼ガス等の被測定ガス中の
NOXを測定する方法としては、RhのNOX還元性を利
用し、ジルコニア等の酸素イオン伝導性の固体電解質上
にPt電極及びRh電極を形成せしめてなるセンサを用
いて、それら両電極間の起電力を測定するようにした手
法が知られている。しかし、そのようなセンサは、被測
定ガスである燃焼ガス中に含まれる酸素濃度の変化によ
って、起電力が大きく変化するばかりでなく、NOX
濃度変化に対して起電力変化が小さく、そのためにノイ
ズの影響を受けやすい。又、NOXの還元性を引き出す
ためには、CO等の還元ガスが必須となるところから、
一般に大量のNOXが発生する燃料過少の燃焼条件下で
は、COの発生量がNOXの発生量を下回るようになる
ため、そのような燃焼条件下に形成される燃焼ガスで
は、測定が出来ないという欠点があった。
【0003】 又、Pt電極と酸素イオン伝導性の固体
電解質よりなる一組の電気化学的ポンプセルとセンサセ
ル、及びRh電極と酸素イオン伝導性の固体電解質より
なるもう一組の電気化学的ポンプセルとセンサセルを組
合せ、各々のポンプ電流値の差により、NOXを測定す
る方式が明らかにされている(特許文献1及び特許文献
2参照)。更に、一対の電気化学的ポンプセルとセンサ
セルを二組用意し、一方の一組のポンプセルとセンサセ
ルからなるセンサにて、NOXが還元されない酸素分圧
下で、限界ポンプ電流を測定すると共に、他方の一組の
ポンプセルとセンサセルからなるセンサにて、NOX
還元される酸素分圧下で限界ポンプ電流を測定し、それ
ら限界ポンプ電流の差を求めたり、一組のポンプセルと
センサセルからなるセンサを用い、被測定ガス中の酸素
分圧をNOXが還元される酸素分圧と還元され得ない酸
素分圧とに切り換えて、限界電流の差を測定する方法が
提案されている(特許文献3及び特許文献4参照)。
【0004】 しかしながら、前述のNOX測定方式に
おいて、通常、限界電流の値は、大量に含まれる酸素に
よる電流が大部分を占め、目的とするNOXに基づく電
流は極めて小さいことから、二つの大きな電流値の差よ
り、NOXに相当する小さな電流値を求めることにな
る。このため、一組のセンサを切り換えて測定する場合
では、連続測定が出来なかったり、応答性や精度が劣る
等という問題が生じる。又、二組のセンサを用いる場合
では、被測定ガス中の酸素濃度が大きく変化すると、測
定値に誤差が生じ易く、被測定ガスの酸素濃度が大きく
変化する場合には、使用できない。これは、一方のセン
サのポンプ電流の酸素濃度依存性と他方のセンサのポン
プ電流の酸素濃度依存性とが、それぞれ異なるためであ
る。
【0005】 更に、二組のセンサの特性の経時変化に
差が生じると、それがそのまま誤差となり、長時間の使
用に耐えない欠点もあった。このように、被測定ガス中
に存在する酸素は、NOXやそれ以外の他の被測定ガス
成分の測定に際して、測定精度の低下等といった問題の
原因となっている。
【0006】 このため、本発明者らは、上記の問題を
解消すべく、被測定ガス中のNOX等の結合酸素を有す
る被測定ガス成分を、直列的に配してなる第一及び第二
の電気化学的ポンプセルを利用して、被測定ガス中の酸
素濃度あるいはその変化に影響を受けることなく、連続
的に応答性がよく、且つ長時間正確に測定可能とした新
しい測定方法を提案した(特許文献5参照)。
【0007】 この新しい測定方法は、外部の被測定ガ
ス存在空間より、測定されるべき結合酸素を有する被測
定ガス成分を含む被測定ガスを、それぞれ所定の拡散抵
抗の下に、第一及び第二の処理ゾーンへ順次導き入れ、
まず、第一の処理ゾーンにおいて、雰囲気中の酸素を第
一の電気化学的ポンプセルにて前記被測定ガス成分量の
測定に実質的に影響が無い低い酸素分圧値に制御する一
方、第二の処理ゾーンにおいて、該第一の処理ゾーンか
ら導かれた雰囲気中の被測定ガス成分を還元乃至は分解
せしめ、その際に発生する酸素を、第二の電気化学的ポ
ンプセルによる酸素のポンピング作用にて汲み出すこと
により、かかる第二の電気化学的ポンプセルに流れるポ
ンプ電流を検出して、その検出値より、被測定ガス中の
被測定ガスの成分量を求めるようにしたものである。
【0008】
【特許文献1】特開昭63−38154号公報
【特許文献2】特開昭64−39545号公報
【特許文献3】特開平1−277751号公報
【特許文献4】特開平2−1543号公報
【特許文献5】特許第2885336号公報
【0009】
【発明が解決しようとする課題】 本発明は上記した測
定方法の更なる改良にかかるものであり、その目的とす
るところは、被測定ガス中の酸素濃度が高くなっても、
それに影響を受けることなく、連続的に応答性が良く、
且つ長時間正確な測定を可能とするとともに、低濃度の
被測定ガス成分の測定に際しても高いS/N比が得ら
れ、且つ大きな信号変化を得ることの出来るガス分析計
及びその校正方法を提供することである。
【0010】
【課題を解決するための手段】 すなわち、本発明によ
れば、外部の被測定ガス存在空間より、測定されるべき
結合酸素を有する被測定ガス成分を含む被測定ガスを、
所定の拡散抵抗の下に第一の処理ゾーンに導き、前記第
一の処理ゾーンにおいて、第一の電気化学的ポンプセル
による酸素のポンピング作用にて、前記第一の処理ゾー
ン内の雰囲気の酸素分圧を所定の酸素分圧に制御せしめ
た後、所定の拡散抵抗の下に第二の処理ゾーンに導き入
れ、前記第二の処理ゾーンにおいて、更に酸素を第二の
電気化学的ポンプセルにて汲み出すことにより、前記雰
囲気の酸素分圧を、被測定ガス成分量の測定に実質的に
影響がない低い酸素分圧値に制御せしめ、更にその後、
第三の処理ゾーンに導き、前記第三の処理ゾーンにおい
て、前記第二の処理ゾーンから導かれた雰囲気中の前記
被測定ガス成分を還元乃至は分解せしめ、その際に発生
する酸素を第三の電気化学的ポンプセルにて汲み出すこ
とにより、前記第三の電気化学的ポンプセルに流れるポ
ンピング電流を検出するガスセンサと、前記ガスセンサ
における前記第一乃至第三の処理ゾーンを酸素ポンピン
グするための駆動部と、前記第三の電気化学的ポンプセ
ルに流れるポンピング電流を被測定ガス値に演算すると
ともに、前記第一の処理ゾーンでのポンピング電流を導
き、被測定雰囲気の酸素量、若しくは不足酸素量、又は
当量を演算する演算部と、前記演算部にて演算された値
を表示するか、又は電気的出力として外部へ取り出す表
示出力部と、前記ガスセンサを所定温度に加熱するヒー
タ駆動部と、を備えたことを特徴とするガス分析計が提
供される。
【0011】 また、本発明によれば、外部の被測定ガ
ス存在空間より、測定されるべき結合酸素を有する被測
定ガス成分を含む被測定ガスを、所定の拡散抵抗の下に
第一の処理ゾーンに導き、前記第一の処理ゾーンにおい
て、第一の電気化学的ポンプセルによる酸素のポンピン
グ作用にて、前記第一の処理ゾーン内の雰囲気の酸素分
圧を所定の酸素分圧に制御せしめた後、所定の拡散抵抗
の下に第二の処理ゾーンに導き入れ、前記第二の処理ゾ
ーンにおいて、更に酸素を第二の電気化学的ポンプセル
にて汲み出すことにより、前記雰囲気の酸素分圧を、被
測定ガス成分量の測定に実質的に影響がない低い酸素分
圧値に制御せしめ、更にその後、第三の処理ゾーンに導
き、前記第三の処理ゾーンにおいて、前記第二の処理ゾ
ーンから導かれた雰囲気中の前記被測定ガス成分を還元
乃至は分解せしめ、その際に発生する酸素を第三の電気
化学的ポンプセルにて汲み出すことにより、前記第三の
電気化学的ポンプセルに流れるポンピング電流を検出す
るガスセンサと、前記ガスセンサにおける前記第一乃至
第三の処理ゾーンを酸素ポンピングするための駆動部
と、前記第三の電気化学的ポンプセルに流れるポンピン
グ電流を被測定ガス値に演算するとともに、前記第一の
処理ゾーンでのポンピング電流、前記第二の処理ゾーン
でのポンピング電流及び前記第三の処理ゾーンでのポン
ピング電流を導き、被測定雰囲気の酸素量、若しくは不
足酸素量、又は当量を演算する演算部と、前記演算部に
て演算された値を表示するか、又は電気的出力として外
部へ取り出す表示出力部と、前記ガスセンサを所定温度
に加熱するヒータ駆動部と、を備えたことを特徴とする
ガス分析計が提供される。
【0012】 被測定ガス成分はNOXであり、演算出
力した酸素量若しくは不足酸素量の値、又は当量値によ
り、測定したNOXを補正することが好ましい。尚、少
なくとも前記駆動部が前記ガスセンサと一体的に構成さ
れていることが好ましい。
【0013】 また、本発明によれば、外部の被測定ガ
ス存在空間より、測定されるべき結合酸素を有する被測
定ガス成分を含む被測定ガスを、所定の拡散抵抗の下に
第一の処理ゾーンに導き、前記第一の処理ゾーンにおい
て、第一の電気化学的ポンプセルによる酸素のポンピン
グ作用にて、前記第一の処理ゾーン内の雰囲気の酸素分
圧を所定の酸素分圧に制御せしめた後、所定の拡散抵抗
の下に第二の処理ゾーンに導き入れ、前記第二の処理ゾ
ーンにおいて、更に酸素を第二の電気化学的ポンプセル
にて汲み出すことにより、前記雰囲気の酸素分圧を、被
測定ガス成分量の測定に実質的に影響がない低い酸素分
圧値に制御せしめ、更にその後、第三の処理ゾーンに導
き、前記第三の処理ゾーンにおいて、前記第二の処理ゾ
ーンから導かれた雰囲気中の前記被測定ガス成分を還元
乃至は分解せしめ、その際に発生する酸素を第三の電気
化学的ポンプセルにて汲み出すことにより、前記第三の
電気化学的ポンプセルに流れるポンピング電流を検出す
るガスセンサを用いたガス分析計の校正方法であって、
複数の既知の被測定ガス成分を標準ガスとし、これに対
するポンピング電流を検量線として校正することを特徴
とするガス分析計の校正方法が提供される。
【0014】 本発明の校正方法においては、前記既知
の被測定ガス成分として、前記被測定ガス成分の他に、
少なくともH2O又はCO2を含む標準ガスを用いること
が好ましい。また、検量線測定の前に、前記ガスセンサ
の温度を稼働温度より50℃以上一定時間高めた後、稼
働温度に戻して、標準ガスによる検量線を作成すること
が好ましく、更に、検量線測定の前に、前記ガスセンサ
を駆動部より切り離し、前記第一〜第三の処理ゾーンの
各電極対間に交番電源を接続後、1Hz以上の交番電流
を一定時間流した後、前記ガスセンサを駆動状態に戻
し、前記標準ガスによる検量線を作成することが好まし
い。
【0015】
【発明の実施の形態】 以下、本発明のガス分析計を詳
細かつ具体的に説明する。まず、本発明のガス分析計を
構成する構成要素であるガスセンサについて詳しく説明
する。
【0016】 図3は、本発明のガス分析計を構成する
構成要素のNOXセンサの一例を示す構成図であって、
図3(a)は平面説明図であり、図3(b)は、図3
(a)のA−A断面図における要部拡大説明図である。
図3に示すように、2は細長な長尺の板状体形状を呈す
るセンサ素子であって、センサ素子2は、図3(b)よ
り明らかなように、緻密な気密の複数の酸素イオン伝導
性の固体電解質層4a、4b、4c、4d、4e、4f
を含んで積層せしめられてなる一体構造の板状体とされ
ている。尚、各固体電解質層4a〜4fは、何れも、ジ
ルコニア磁器等の公知の酸素イオン伝導性の固体電解質
材料を用いて形成されることとなる。そして、この一体
構造のセンサ素子2は、従来と同様に、未焼成の固体電
解質の積層物を一体焼成することにより製造されること
となる。
【0017】 そして、かかる一体構造のセンサ素子2
内には、それぞれ、矩形形状の平面形態を呈する第一の
内部空所6、第二の内部空所7及び第三の内部空所8
が、素子先端側に該第一の内部空所6が位置し、素子基
端側には該第三の内部空所8が位置するようにして、外
部から区画された形態にて、別個に形成され、それぞ
れ、第一の処理ゾーン、第二の処理ゾーン及び第三の処
理ゾーンを構成しているとともに、それら第一、第二及
び第三の内部空所6、7、8とは独立した形態において
且つ上下に重なり合う形態において、基準ガス存在空所
としての基準空気導入通路10がセンサ素子2の長手方
向に延びるように設けられ、また該基準空気導入通路1
0は、センサ素子2の基部側の端部において開口し、大
気に連通せしめられるようになっている。尚、ここで
は、第一、第二、第三の内部空所6、7、8は、固体電
解質層4bに形成された対応する空所が上下の固体電解
質層4a、4cにて覆蓋されることによって、略同一平
面上に位置する状態において形成されており、また基準
空気導入口10は、固体電解質層4dに形成された対応
する空所が固体電解質層4c、4eにて上下から覆蓋さ
れることによって、形成されている。
【0018】 また、第一の内部空所6を外部の被測定
ガス存在空間に連通せしめる第一の拡散律速手段たる第
一の拡散律速通路12が、固体電解質層4bを切り欠い
て、センサ素子2の先端部に開口するように設けられて
おり、この第一の拡散律速通路12を通じて、所定の拡
散抵抗の下に、被測定ガス成分としてNO Xを含む被測
定ガスが、第一の内部空所6内に導き入れられるように
なっている。更に、第一の内部空所6と第二の内部空所
7との間に位置する固体電解質層4b部分や、第二の内
部空所7と第三の内部空所8との間に位置する固体電解
質層4b部分にも、それぞれ、溝状の切欠きが設けられ
て、それぞれ、第二、第三の拡散律速手段を構成する第
二、第三の拡散律速通路13、14が形成されている。
尚、これら第二、第三の拡散律速通路13、14内に
は、アルミナ等からなる多孔質体が充填、配置されて、
それら通路の拡散抵抗が前記第一の拡散律速抵抗12に
おける拡散抵抗よりも大きくされている。そして、第二
の拡散律速通路13を通じて、第一の内部空所6内の雰
囲気が、所定の拡散抵抗の下に、第二の内部空所7内に
導き入れられるようになっており、更に、第二の内部空
所7内の雰囲気が、所定の拡散抵抗の下に、第三の内部
空所8内に導かれるようになっている。
【0019】 固体電解質層4aの第一の内部空所6内
に露呈する部分には、それに接して、矩形形状の多孔質
サーメット電極からなる第一内側ポンプ電極16が設け
られ、更に該第一内側ポンプ電極16に対応する固体電
解質層4aの外面部位には、それに接するように、同様
な矩形形状の多孔質サーメット電極からなる第一外側ポ
ンプ電極18が設けられており、それら電極16、18
と固体電解質層4aとによって第一の電気化学的ポンプ
セルが構成されている。そして、この第一の電気化学的
ポンプセルの二つの電極16、18間に、外部の可変電
源20にて、所望の電圧を印加せしめ、第一外側ポンプ
電極18から第一内側ポンプ電極16の方向に電流を流
すことによって、第一の内部空所6内の雰囲気中の酸素
を外部の被測定ガス存在空間に汲み出し得るとともに、
逆に電流を流すことにより外部の被測定ガス存在空間か
ら酸素を汲み入れ得るようになっている。尚、多孔質サ
ーメット電極は、Pt等の金属とZrO2等のセラミッ
クスとから構成されることとなるが、被測定ガスに接触
する第一の内部空所6内に配置される第一内側ポンプ電
極16は、被測定ガス中のNOX成分の還元性を弱めた
或は還元性のない金属を用いる必要があり、例えばPt
−Au合金とZrO2とのサーメットにて構成されてい
ることが好ましい。
【0020】 更に、固体電解質層4cの第一の内部空
所6内に露呈する部分には、それに接して、第一内側ポ
ンプ電極16と同様な多孔質サーメット電極からなる測
定電極22が設けられ、又、該固体電解質層4cの基準
空気導入通路10内の露呈する部分には、それに接し
て、第一外側ポンプ電極18と同様な多孔質サーメット
電極からなる基準電極24が設けられており、それら測
定電極22と基準電極24と固体電解質層4cとによっ
て、酸素分圧検出手段としての電気化学的セル、即ち電
気化学的センサセルが構成され、周知のように、第一の
内部空所6内の雰囲気と基準空気導入通路10内の基準
空気(大気)との間の酸素濃度差に基づいて、測定電極
22と基準電極24との間に発生する起電力を、電位差
計26にて測定することにより、第一の内部空所6内の
雰囲気の酸素分圧が検出されるようになっている。そし
て、この電位差計26にて検出された、第一の内部空所
6内における雰囲気の酸素分圧の値に基づいて、可変電
源20の電圧が制御され、よって第一の内部空所6内の
雰囲気の酸素分圧が、次の第二の内部空所7において酸
素分圧の制御を行い得るに充分な低い所定の値となるよ
うに、第一の電気化学的ポンプセルのポンプ作動が制御
されるようになっている。
【0021】 一方、第二の内部空所7内に位置するよ
うに、固体電解質層4c上には、それに接して、第一内
側ポンプ電極16と同様な多孔質サーメット電極からな
る第二内側ポンプ電極28が設けられており、また、こ
の内側ポンプ電極28に対応する固体電解質層4cの基
準空気導入通路10内に露呈する部分には、第一外側ポ
ンプ電極18と同様な多孔質サーメット電極からなる第
二外側ポンプ電極30が設けられ、それら内側ポンプ電
極28と外側ポンプ電極30と固体電解質層4cとによ
って、第二の電気化学的ポンプセルが構成されている。
そして、この第二の電気化学的ポンプセルの二つの電極
28、30間に、外部の直流電源32にて所望の電圧を
印加せしめ、第二外側ポンプ電極30側より第二内側ポ
ンプ電極28側に電流を流すことによって、第二の内部
空所7内の雰囲気の酸素分圧が、実質的に被測定ガス成
分(NOX)が還元乃至は分解され得ない状況下におい
て、被測定ガス成分量の測定に実質的に影響がない、低
い酸素分圧値に制御されるようになっている。
【0022】 更に、第三の内部空所8内において、そ
こに露呈する固体電解質層4c部分には、それに接し
て、矩形形状の第三内側ポンプ電極36が設けられてい
る。この第三内側ポンプ電極36は、被測定ガス成分た
るNOXを還元し得る金属であるRhとセラミックスと
してのZrO2とからなる多孔質サーメットにて構成さ
れ、これにより、第三の内部空所8内の雰囲気中に存在
するNOXを還元せしめ得るNOX還元触媒として機能す
る一方、内側ポンプ電極36に対応して、基準空気導入
通路10内に配置された第三外側ポンプ電極38との間
に、直流電源34により一定電圧が印加せしめられるこ
とによって、第三の内部空所8内の雰囲気中の酸素を基
準空気導入通路10内に汲み出すようになっている。従
って、ここでは、第三内側ポンプ電極36と第三外側ポ
ンプ電極38と固体電解質層4cとによって、第三の電
気化学的ポンプセルが構成されている。そして、この電
気化学的ポンプセルのポンプ作動によって流れるポンプ
電流は、電流計40によって検出されるようになってい
る。尚、前記した定電圧(直流)電源34は、第三の拡
散律速通路14による制限されたNOX流入下におい
て、第三の電気化学的ポンプセルにてのNOX分解時に
生成した酸素のポンピングに対して、限界電流を与える
大きさの電圧を印加することができるようになってい
る。
【0023】 尚、センサ素子2内には、固体電解質層
4e、4fにて上下から挟まれた形態において、外部か
らの給電によって発熱せしめられるヒータ42が埋設さ
れている。又、このヒータ42の上下面には、図示はさ
れていないが、固体電解質層4e、4fとの電気的絶縁
を得るために、アルミナ等のセラミックス層が薄層にお
いて形成されている。そして、ヒータ42は、図3
(b)に示すように、第一の内部空所6から第三の内部
空所8の全体に亙って配設されており、これによって、
それら内部空所6、7、8が、それぞれ、所定の温度に
加熱されることにより、第一、第二及び第三の電気化学
的ポンプセルは勿論、電気化学的センサセルも、それぞ
れ、所定の温度に加熱、保持されるようになっている。
【0024】 従って、このような構成のセンサ素子2
にあっては、その先端部側が、被測定ガス存在空間内に
配置されるのであり、これによって、被測定ガスは、セ
ンサ素子2に設けられた第一の拡散律速通路12を通っ
て、所定の拡散抵抗の下に、第一の内部空所6内に導き
入れられる。そして、第一の内部空所6内に導かれた被
測定ガスは、第一の電気化学的ポンプセルを構成する二
つの電極16、18間に所定の電圧が印加せしめられる
ことによって惹起される酸素のポンピング作用を受け、
その酸素分圧が所定の値になるように制御される。
【0025】 尚、第一の内部空所6内の雰囲気の酸素
分圧を所定の値とするためには、よく知られているネル
ンストの式に基づいて、電気化学的センサセルにおける
測定電極22と基準電極24との間の起電力を電位差計
26にて測定し、第一の電気化学的ポンプセルの二つの
電極16、18間に印加する電圧(可変電圧20)を制
御する手法が採用される。即ち、第一の内部空所6にお
ける所定酸素濃度と基準空気の酸素濃度との差に相当す
る起電力となるように、第一の電気化学的ポンプセルの
電圧を制御すればよい。ここで、第一の拡散律速通路1
2は、第一の電気化学的ポンプセルに電圧を印加した
際、被測定ガス中の酸素が測定空間(第一の内部空所
6)に拡散流入する量を絞り込み、第一の電気化学的ポ
ンプセルに流れる電流を抑制する働きをしている。な
お、被測定ガス中の酸素濃度が所定以上に高い場合に
は、第一の電気化学的ポンプセルの酸素ポンピング作用
により酸素を汲み出し、一方、被測定ガス中の酸素濃度
が所定以上に低い、あるいはゼロの場合には、第一の電
気化学的ポンプセルの酸素ポンピング作用により外部空
間から酸素を汲み入れして、第一の処理ゾーン内の雰囲
気の酸素分圧を所定の酸素分圧に制御することになる。
【0026】 また、第一の内部空所6内においては、
外部の被測定ガスによる加熱、更に、ヒータ42による
加熱環境下においても、内側ポンプ電極16や測定電極
22にて雰囲気中のNOXが還元されない酸素分圧下の
状態、例えば、NO→1/2N2+1/2O2の反応が起
こらない酸素分圧下の状況が形成されている。けだし、
第一の内部空所6内において、被測定ガス(雰囲気)中
のNOXが還元されると、後の第三の内部空所8内での
NOXの正確な測定が出来なくなるからであり、この意
味において、第一の内部空所6内において、NOXの還
元に関与する成分(ここでは、内側ポンプ電極16や測
定電極22の金属成分)にてNOXが還元され得ない状
況を形成する必要があるのである。
【0027】 このため、第二の内部空所7に対して、
その内部の雰囲気の酸素分圧を常に一定の低い酸素分圧
値にすることが出来るように、第二の電気化学的ポンプ
セル(4c、28、30)を設けて、このポンプ作動に
より、第一の内部空所6から導き入れられる雰囲気の酸
素分圧が、被測定ガスの酸素濃度に応じて変化しても、
第二の内部空所7内の雰囲気の酸素分圧を常に一定の低
い値とすることができ、これにより、NOXの測定に実
質的に影響がない低い酸素分圧値に制御することができ
る。
【0028】 尚、この第二の内部空所7内において
も、第一の内部空所6内と同様に、外部の被測定ガスに
よる加熱やヒータ42による加熱環境下において、第二
内側ポンプ電極28にて、雰囲気中のNOXが還元され
ない酸素分圧下の状態が形成されている。このため、第
二内側ポンプ電極28にあっても、第一内側ポンプ電極
16や測定電極22と同様に、被測定ガスに対する還元
性のない、又は還元性を弱めた電極材質が用いられるこ
ととなる。
【0029】 上記のようにして、第二の内部空所7内
において酸素分圧が制御された被測定ガスは、第三の拡
散律速通路14を通って、所定の拡散抵抗の下に、第三
の内部空所8内に導かれる。そして、この第三の内部空
所8内に導き入れられた被測定ガスは、第三の電気化学
的ポンプセルを構成する第三内側ポンプ電極36と第三
外側ポンプ電極38との間に、酸素が第三の内部空所8
から基準空気導入通路10側に汲み出される方向に、所
定の電圧が印加せしめられることによって、酸素のポン
ピング作用を受け、これにより、第三の内部空所8にお
いては、特に、第三内側ポンプ電極36の三相界面にお
いて、更に酸素濃度が低下せしめられ、NOX還元触媒
としても機能する内側ポンプ電極36の周りにおいて、
NOXが還元される状態に制御される。このとき、第三
の電気化学的ポンプセルに流れる電流は、第三の内部空
所8に導かれる雰囲気中の酸素濃度、即ち、第二の内部
空所7内の雰囲気中の酸素濃度と第三内側ポンプ電極3
6にてNOXが還元されて発生した酸素濃度との和に比
例した値となるのであるが、第二の内部空所7内の雰囲
気中の酸素濃度は、第二の電気化学的ポンプセルにて一
定に制御されていることから、第三の電気化学的ポンプ
セルに流れる電流は、NOXの濃度に比例することとな
る。そして、そのNOXの濃度は、第三の拡散律速通路
14にて制限されるNOXの拡散量に対応しているので
あり、かくしてNOX濃度の測定が可能となる。
【0030】 図4は、本発明のガス分析計を構成する
構成要素のNOXセンサの変形例を示す断面説明図であ
る。図4に示す変形例においては、図3の例と異なり、
第二の内部空所7と第三の内部空所8とが一体化され
て、一つの細隙な平坦空間からなる合体内部空所9とさ
れ、そこに、第二内側ポンプ電極28及び第三内側ポン
プ電極36が配されており、かつ、基準空気導入通路1
0内に配置される電気化学的センサセルの基準電極24
と、第二の電気化学的ポンプセルにおける第二外側ポン
プ電極30と、第三の電気化学的ポンプセルにおける第
三外側ポンプ電極38とが、一つの共通極44にて構成
されていることろに特徴がある。
【0031】 この変形例では、合体内部空所9は、第
二の処理ゾーンと第三の処理ゾーンを含んで構成され、
第二の拡散律速通路13を通って第一の内部空所6から
導き入れられた被測定ガスは、合体内部空所9の入口側
部位に配された第二内側ポンプ電極28、第二外側ポン
プ電極30、及び固体電解質層4a、4b、4cにて構
成される第二の電気化学的ポンプセルによる酸素のポン
プ作用を受けることにより、低い一定の酸素分圧値に制
御せしめられる一方、かかる合体内部空所9の細隙な平
坦空間にて規定される所定の拡散抵抗の下に拡散して、
該合体内部空所9の奥側部位に配置された第三の電気化
学的ポンプセルに至り、そこで、被測定ガス成分たるN
Xの還元が第三内側ポンプ電極36にて行なわれると
ともに、かかる第三内側ポンプ電極36から第三外側ポ
ンプ電極38への酸素の汲み出しが行なわれることによ
り、第三の電気化学的ポンプセルのポンプ電流が電流計
40にて検出される。
【0032】 次に、上記したようなガスセンサを組み
込んだ本発明に係るガス分析計を説明する。図1は、本
発明に係るガス分析計の構成の一例を示すブロック図で
あり、本発明に係るガス分析計は、ガスセンサ100
と、このガスセンサ100を酸素ポンピングする駆動部
101と、ガスセンサ100の電気化学的ポンプセルに
流れるポンピング電流を被測定ガス値に演算する演算部
102と、演算部102にて演算された値を表示する
か、又は電気的出力として外部へ取り出す表示出力部1
03と、ガスセンサ100を所定温度に加熱するヒータ
駆動部104とから基本的に構成されている。
【0033】 ここで、演算部102においては、第三
の電気化学的ポンプセルに流れるポンピング電流を被測
定ガス値に演算する機能を有するが、演算部102で
は、更に、第一の処理ゾーンでのポンピング電流(Ip
1)を導入するか、又は、前記第一の処理ゾーンでのポ
ンピング電流(Ip1)、前記第二の処理ゾーンでのポ
ンピング電流(Ip2)及び前記第三の処理ゾーンでの
ポンピング電流(Ip3)を導入して、該演算部102
にて演算することにより、被測定ガス中の酸素量、若し
くは不足酸素量、又は当量を演算出力する。ここで、被
測定ガスの当量としては、具体的には、酸素過剰率(ラ
ムダ値)、または空燃比(A/F値)を挙げることがで
きる。これは、(A*Ip1+B*Ip2+C*Ip
3)が被測定ガス中の全酸素量に比例することに基づ
き、求めることができる。なお、A、B、Cはそれぞれ
定数で、Ip3は第三の電気化学的ポンプセルに流れる
ポンピング電流、即ち、第三の処理ゾーンでのポンピン
グ電流である。
【0034】 そして、本発明においては、被測定ガス
中の酸素量若しくは不足酸素量の値、又は当量値によ
り、被測定ガス中のNOX濃度を補正することが好まし
い。この場合、NOX濃度を補正するための酸素量、不
足酸素量、あるいは当量(酸素過剰率、空燃比など)と
して、(Ip1+Ip2+Ip3)に基づいて演算され
た値を用いることが好ましく、簡便的には(Ip1)あ
るいは(Ip1+Ip2)に基づいて演算された値を用
いても良い。例えば、第三の処理ゾーンでのポンピング
電流(Ip3)は、被測定ガス中の酸素濃度に依存す
る。図6に示すように、被測定ガス中の酸素濃度によ
り、被測定ガス中のNOX濃度が高い場合には、多少変
動する。そこで、予め、ポンピング電流(Ip3)と被
測定ガス中の酸素濃度との依存度を測定し、この測定デ
ータを演算部102に取り込んでおいて、被測定ガス中
のNOX濃度を補正することが好ましい。尚、図6では
酸素依存性についての補正を例として説明したが、他の
例として横軸を当量(酸素過剰率、空燃比など)とすれ
ば、還元性ガス、中性ガス、酸化性ガスにおけるNOX
濃度測定値の依存性を補正することも可能である。
【0035】 図2は、本発明に係るガス分析計の構成
の他の例を示すブロック図である。図2に示すガス分析
計では、ガスセンサと、演算部などの受信器ユニットが
離れている場合の構成を示しており、ガスセンサ100
と、ガスセンサ100を酸素ポンピングする駆動部10
1と、駆動部101により得られるポンピング電流を増
幅する増幅器105とを一体的に配置して、センサプロ
ーブ110を構成しており、このセンサプローブ110
から離れた位置において、演算部102、表示出力部1
03及びヒータ駆動部104とからなる受信器ユニット
120が配設されている。
【0036】 図5は、図2にブロック図として示した
ガス分析計を具体化したガス分析計である。図5におい
て、ガス分析計50は、被測定ガス導入部60とNOX
検出部70とから構成されている。被測定ガス導入部6
0において、円筒形状のプローブ62の先端側方には、
ガス取入口63とガス排出口64とが形成されている。
ガス取入口63とガス排出口64には、それぞれ格子6
5、66が所定間隔で設けられている。プローブ62内
には、フランジ67aを有する内管67をプローブ62
と同心円状に設けている。そして、図中矢印で示すよう
に、ガス取入口63から取り入れられる被測定ガスは内
管67の内部を通り侵入し、内管67の端部で内管67
とプローブ62との間を戻り、ガス排出口64からプロ
ーブ62外へ排出される。
【0037】 NOX検出部70は、検出部本体72内
にNOXセンサユニット73を収納して構成されてい
る。NOXセンサユニット73は、板状のNOXセンサ7
4を一端に露出させて設けるとともに、他端にはNOX
センサ74の外部との電気的接続を取るのに使用される
端子台75をネジ込み等の手段により一体化して設けて
いる。検出部本体72の端部の外周部には、被測定ガス
導入部60とNOX検出部70とを接続するためのフラ
ンジ77を設けている。検出部本体72の中間部には、
校正ガスをNOXセンサ74に供給するための校正ガス
取入口78を設ける。また、検出部本体72のNOX
ンサ74を設けた端部と反対側の端部には、端子台75
を収納するためのフランジ79と蓋80とを設けてい
る。そして、フランジ79の側面には、端子台75から
の電極など(後述の駆動部等の配線)を外部へ導出する
ための配線口81を設けている。又、NOXセンサユニ
ット73には、測定ガスが端子台75へ漏れないように
Oリング82によるガスシール部が設けられている。な
お、端子台75には、端子台75とNOXセンサユニッ
ト73をNOX検出部70に固定する端子ネジ86が取
り付けられている。
【0038】 この端子台75には、増幅器を含む駆動
部85が備えられ、この駆動部85は、演算部、表示出
力部等を含む受信器90に電気的に接続され、NOX
ンサ74のポンピングや、所定の演算及び表示・出力が
行われるようになっている。このように、駆動部をガス
センサの近傍に一体的に構成することにより、駆動部に
おけるポンピング電流を増幅器にて増幅して演算部に導
くことによって、電気的ノイズを低減することができ
る。
【0039】 また、本発明のガス分析計においては、
複数の既知の被測定ガス成分量に対するポンピング電流
(Ip3)を測定し、検量線を作成して、本ガス分析計
を校正することが好ましい。すなわち、ガス分析計の演
算部内に、複数の既知の被測定ガス成分量に対するポン
ピング電流(Ip3)のデータを蓄積し、このデータに
基づき、目的とする被測定ガス成分のポンピング電流
(Ip3)から被測定ガス成分量への変換、校正を行う
ようにする。例えば、図7に示すように、a、b、cと
いう各濃度の校正ガス(標準ガス)を用いて測定を行
い、その時のポンピング電流(Ia、Ib、Ic)をそ
れぞれ求め、検量線を作成することにより、行うことが
できる。検量線は、1次直線、あるいは複次曲線などと
なり、演算部において、自動的に検量線を作成すること
も可能である。また、先に記載した酸素依存性あるいは
当量依存性も測定して、検量線の補正を行うことは更に
好ましいことである。
【0040】 本発明のガス分析計は、上記のように検
量線を用いて校正することが好ましいが、その際に用い
る既知の被測定ガス成分(校正ガス)として、当該既知
の被測定ガス成分の他に、少なくともH2O、CO2のい
ずれか1種類のガス成分を含むガスを用いることが好ま
しい。すなわち、図8に示すように、H2OまたはCO2
を含まない校正ガスを用いると、固体電解質の発生起電
力が低くなって、ポンピング電流(Ip3)が増大し、
時には不安定になり、測定すべきガス濃度の数値に対す
る信頼性が低下することが生じる。一方、少なくともH
2O、CO2のいずれか1種類のガス成分を含む校正ガス
を用いると、ポンピング電流(Ip3)が安定する。こ
の理由は不明であるが、固体電解質の電極の表面状態の
変化、あるいは安定化によるものと推定される。H
2O、CO2の添加量としては、それぞれ又は合量で、
0.1vol%以上が望ましく、1vol%以上が更に
望ましい。
【0041】 また、本発明のガス分析計においては、
使用前あるいは使用後の所定時期に、電気化学的ポンプ
セルを構成する固体電解質の電極上に、CO、OHある
いは被毒性物質が過剰に吸着し、ガス分析計の分析精度
を低下させることがある。そこで、ガス分析計におい
て、検量線を測定する前に、固体電解質の電極から被毒
性物質等を脱離させて、電極を正常状態にして校正する
ことが好ましい。脱離方法としては、大別して、センサ
の高温化と強制通電が挙げられる。すなわち、電気化学
的ポンプセルを備えたセンサをその稼動温度より50℃
以上に、一定時間高めた後、稼動温度に戻して、校正ガ
スによる検量線の作成を行う方法が、好ましく用いられ
る(センサの高温化方法)。ここで、センサを高温化に
保持する時間は、約10分程度で十分である。又、セン
サの強制通電方法としては、センサを駆動部から切り離
し、第一〜第三の処理ゾーンの各電極対間に交番電源を
接続し、例えば、1Hz以上の交番電流を一定時間流し
た後、センサを駆動状態に戻し、校正ガスによる検量線
の作成を行う方法も好ましく用いられる。ここで、交番
電流を流す時間は約10分程度で十分である。
【0042】 以上、本発明を具体的に説明してきた
が、本発明が、当業者の知識に基づいて種々の変更、修
正、改良等を加えた態様において実施され得ることは言
うまでもないことであり、更に、そのような実施の態様
が、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて、本発明の
範ちゅうに属するものであることが理解されるべきであ
る。
【0043】
【発明の効果】 以上説明したように、本発明のガス分
析計及び校正方法によれば、目的とするNOXなどの被
測定ガスの濃度に対応する安定したポンピング電流や起
電力を得ることができ、被測定ガス成分濃度を正確に測
定することができる。また、被測定ガスの酸素濃度が高
くなっても、それに影響を受けることなく、連続的に応
答性が良く、且つ長時間正確な測定が可能で、しかも低
濃度の被測定ガス成分の測定に際しても高いS/N比が
得られ、大きな信号変化を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に係るガス分析計の構成の一例を示す
ブロック図である。
【図2】 本発明に係るガス分析計の構成の他の例を示
すブロック図である。
【図3】 本発明のガス分析計を構成する構成要素のN
Xセンサの一例を示す構成図で、(a)は平面説明
図、(b)は(a)のA−A断面図における要部拡大説
明図である。
【図4】 本発明のガス分析計を構成する構成要素のN
Xセンサの変形例を示す断面説明図である。
【図5】 図2にブロック図として示したガス分析計を
具体化したガス分析計である。
【図6】 被測定ガス中の酸素濃度とポンピング電流
(Ip3)との関係を示すグラフである。
【図7】 検量線を示すグラフである。
【図8】 校正ガス中のH2O、CO2の含有量とポンピ
ング電流(Ip3)の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
2…センサ素子、4a,4b,4c,4d,4e,4f
…固体電解質層、6…第一の内部空所、7…第二の内部
空所、8…第三の内部空所、9…合体内部空所、10…
基準空気導入通路、12…第一の拡散律速通路、13…
第二の拡散律速通路、14…第三の拡散律速通路、16
…第一内側ポンプ電極、18…第一外側ポンプ電極、2
0…可変電源、22…測定電極、24…基準電極、26
…電位差計、28…第二内側ポンプ電極、30…第二外
側ポンプ電極、36…第三内側ポンプ電極、38…第三
外側ポンプ電極、42…ヒータ、44…共通極、50…
ガス分析計、60…被測定ガス導入部、70…NOX
出部、62…プローブ、63…ガス取入口、64…ガス
排出口、67a…フランジ、67…内管、72…検出部
本体、73…NOXセンサユニット、74…NOXセン
サ、75…端子台、77…フランジ、78…校正ガス取
入口、79…フランジ、80…蓋、81…配線口、82
…Oリング、85…駆動部、86…端子ネジ、90…受
信器、100…ガスセンサ、101…駆動部、102…
演算部、103…表示出力部、104…ヒータ駆動部、
105…増幅器、110…センサプローブ、120…受
信器ユニット。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) G01N 27/46 327G 327R 327N 327Q 27/58 B (72)発明者 近 正雄 愛知県名古屋市瑞穂区須田町2番56号 日 本碍子株式会社内

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 外部の被測定ガス存在空間より、測定さ
    れるべき結合酸素を有する被測定ガス成分を含む被測定
    ガスを、所定の拡散抵抗の下に第一の処理ゾーンに導
    き、前記第一の処理ゾーンにおいて、第一の電気化学的
    ポンプセルによる酸素のポンピング作用にて、前記第一
    の処理ゾーン内の雰囲気の酸素分圧を所定の酸素分圧に
    制御せしめた後、所定の拡散抵抗の下に第二の処理ゾー
    ンに導き入れ、前記第二の処理ゾーンにおいて、更に酸
    素を第二の電気化学的ポンプセルにて汲み出すことによ
    り、前記雰囲気の酸素分圧を、被測定ガス成分量の測定
    に実質的に影響がない低い酸素分圧値に制御せしめ、更
    にその後、第三の処理ゾーンに導き、前記第三の処理ゾ
    ーンにおいて、前記第二の処理ゾーンから導かれた雰囲
    気中の前記被測定ガス成分を還元乃至は分解せしめ、そ
    の際に発生する酸素を第三の電気化学的ポンプセルにて
    汲み出すことにより、前記第三の電気化学的ポンプセル
    に流れるポンピング電流を検出するガスセンサと、 前記ガスセンサにおける前記第一乃至第三の処理ゾーン
    を酸素ポンピングするための駆動部と、 前記第三の電気化学的ポンプセルに流れるポンピング電
    流を被測定ガス値に演算するとともに、前記第一の処理
    ゾーンでのポンピング電流を導き、被測定雰囲気の酸素
    量、若しくは不足酸素量、又は当量を演算する演算部
    と、 前記演算部にて演算された値を表示するか、又は電気的
    出力として外部へ取り出す表示出力部と、 前記ガスセンサを所定温度に加熱するヒータ駆動部と、
    を備えたことを特徴とするガス分析計。
  2. 【請求項2】 外部の被測定ガス存在空間より、測定さ
    れるべき結合酸素を有する被測定ガス成分を含む被測定
    ガスを、所定の拡散抵抗の下に第一の処理ゾーンに導
    き、前記第一の処理ゾーンにおいて、第一の電気化学的
    ポンプセルによる酸素のポンピング作用にて、前記第一
    の処理ゾーン内の雰囲気の酸素分圧を所定の酸素分圧に
    制御せしめた後、所定の拡散抵抗の下に第二の処理ゾー
    ンに導き入れ、前記第二の処理ゾーンにおいて、更に酸
    素を第二の電気化学的ポンプセルにて汲み出すことによ
    り、前記雰囲気の酸素分圧を、被測定ガス成分量の測定
    に実質的に影響がない低い酸素分圧値に制御せしめ、更
    にその後、第三の処理ゾーンに導き、前記第三の処理ゾ
    ーンにおいて、前記第二の処理ゾーンから導かれた雰囲
    気中の前記被測定ガス成分を還元乃至は分解せしめ、そ
    の際に発生する酸素を第三の電気化学的ポンプセルにて
    汲み出すことにより、前記第三の電気化学的ポンプセル
    に流れるポンピング電流を検出するガスセンサと、 前記ガスセンサにおける前記第一乃至第三の処理ゾーン
    を酸素ポンピングするための駆動部と、 前記第三の電気化学的ポンプセルに流れるポンピング電
    流を被測定ガス値に演算するとともに、前記第一の処理
    ゾーンでのポンピング電流、前記第二の処理ゾーンでの
    ポンピング電流及び前記第三の処理ゾーンでのポンピン
    グ電流を導き、被測定雰囲気の酸素量、若しくは不足酸
    素量、又は当量を演算する演算部と、 前記演算部にて演算された値を表示するか、又は電気的
    出力として外部へ取り出す表示出力部と、 前記ガスセンサを所定温度に加熱するヒータ駆動部と、
    を備えたことを特徴とするガス分析計。
  3. 【請求項3】 被測定ガス成分がNOXである請求項1
    又は2に記載のガス分析計。
  4. 【請求項4】 前記被測定雰囲気の酸素量若しくは不足
    酸素量の値、又は当量値により、測定したNOXを補正
    する請求項1〜3のいずれかに記載のガス分析計。
  5. 【請求項5】 少なくとも前記駆動部を前記ガスセンサ
    と一体的に構成した請求項1〜4のいずれかに記載のガ
    ス分析計。
  6. 【請求項6】 外部の被測定ガス存在空間より、測定さ
    れるべき結合酸素を有する被測定ガス成分を含む被測定
    ガスを、所定の拡散抵抗の下に第一の処理ゾーンに導
    き、前記第一の処理ゾーンにおいて、第一の電気化学的
    ポンプセルによる酸素のポンピング作用にて、前記第一
    の処理ゾーン内の雰囲気の酸素分圧を所定の酸素分圧に
    制御せしめた後、所定の拡散抵抗の下に第二の処理ゾー
    ンに導き入れ、前記第二の処理ゾーンにおいて、更に酸
    素を第二の電気化学的ポンプセルにて汲み出すことによ
    り、前記雰囲気の酸素分圧を、被測定ガス成分量の測定
    に実質的に影響がない低い酸素分圧値に制御せしめ、更
    にその後、第三の処理ゾーンに導き、前記第三の処理ゾ
    ーンにおいて、前記第二の処理ゾーンから導かれた雰囲
    気中の前記被測定ガス成分を還元乃至は分解せしめ、そ
    の際に発生する酸素を第三の電気化学的ポンプセルにて
    汲み出すことにより、前記第三の電気化学的ポンプセル
    に流れるポンピング電流を検出するガスセンサを用いた
    ガス分析計の校正方法であって、 複数の既知の被測定ガス成分を標準ガスとし、これに対
    するポンピング電流を検量線として校正することを特徴
    とするガス分析計の校正方法。
  7. 【請求項7】 前記既知の被測定ガス成分として、前記
    被測定ガス成分の他に、少なくともH2O又はCO2を含
    む標準ガスを用いる請求項6記載のガス分析計の校正方
    法。
  8. 【請求項8】 検量線測定の前に、前記ガスセンサの温
    度を、稼働温度より50℃以上一定時間高めた後、稼働
    温度に戻して、標準ガスによる検量線を作成する請求項
    6又は7記載のガス分析計の校正方法。
  9. 【請求項9】 検量線測定の前に、前記ガスセンサを駆
    動部より切り離し、前記第一〜第三の処理ゾーンの各電
    極対間に交番電源を接続し、1Hz以上の交番電流を一
    定時間流した後、前記ガスセンサを駆動状態に戻し、前
    記標準ガスによる検量線を作成する請求項6〜8のいず
    れかに記載のガス分析計の校正方法。
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