JP2005121666A - Nox sensor - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a NOx concentration measurement technique for continuously and accurately measuring the concentration of NOx in a gas under measurement without being affected by the concentration of oxygen or its change. <P>SOLUTION: This sensor is provided with a first internal void 6 into which the gas under measurement is introduced in order to know the concentration of NOx in the gas, a second internal void 8 into which the atmosphere in the internal void 6 is further introduced, a first oxygen pump means for controlling oxygen partial pressure in the internal void 6, a second oxygen pump means for pumping out oxygen in the internal void 8, and a current detection means 32 for detecting a pump electric current flowing through the second oxygen pump means operating. The concentration of NOx in the gas is found from the value of the pump current Ip detected by the detection means 32. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、被測定ガス成分中の所定ガス成分の測定方法及び測定装置に係り、特に測定すべきガス成分が結合酸素を有するものの測定方法並びに各種ガスセンサに係り、中でも、被測定ガスを燃焼ガスとし、かかるガス中のNOxを被測定ガス成分として測定するセンサと、そのようなNOxを有利に測定し得る方法に関するものである。   The present invention relates to a measurement method and a measurement apparatus for a predetermined gas component in a gas component to be measured, and particularly to a measurement method and various gas sensors in which the gas component to be measured has bound oxygen, and in particular, the gas to be measured is a combustion gas. The present invention relates to a sensor that measures NOx in such a gas as a gas component to be measured, and a method that can advantageously measure such NOx.

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・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電極を付与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。しかしながら、そのようなセンサは、被測定ガスた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の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問題があり、また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。   Conventionally, various measuring methods and apparatuses have been proposed in order to know the concentration of a desired gas component in a gas to be measured. For example, as a method for measuring NOx in a gas to be measured such as combustion gas, Using the NOx reducing property of Rh, the electromotive force between these electrodes was measured using a sensor in which a Pt electrode and an Rh electrode were provided on an oxygen ion conductive solid electrolyte such as zirconia. Techniques are known. However, such a sensor not only greatly changes the electromotive force due to the change in the oxygen concentration contained in the combustion gas as the gas to be measured, but also the change in the electromotive force is small with respect to the change in the NOx concentration. In order to extract NOx reducibility, CO or other reducing gas is indispensable, and in general, CO is generated under a fuel-poor combustion condition where a large amount of NOx is generated. Since the amount becomes lower than the generation amount of NOx, there is a drawback that measurement cannot be performed with the combustion gas formed under such combustion conditions.

また、Pt電極と酸素イオン伝導性の固体電解質より成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成るもう一組の電気化学的ポンプセルとセンサセルを組み合わせ、それぞれのポンプ電流値の差によりNOxを測定する方式が、特開昭63−38154号公報や特開昭64−39545号公報等に明らかにされている。更に、特開平1−277751号公報や特開平2−1543号公報等には、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成るセンサにて、NOxが還元されない酸素分圧下で限界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成るセンサにて、NOxが還元される酸素分圧下でポンプ電流を測定し、それぞれの限界電流の差を測定したり、一組のポンプセルとセンサセルから成るセンサを用い、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したりする方法が提案されている。   Also, a set of electrochemical pump cell and sensor cell composed of a Pt electrode and an oxygen ion conductive solid electrolyte, and another set of electrochemical pump cell and sensor cell composed of an Rh electrode and an oxygen ion conductive solid electrolyte were combined, Methods for measuring NOx based on the difference between the pump current values are disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open Nos. Sho 63-38154 and 64-39545. Further, in JP-A-1-2777751 and JP-A-2-15443, two pairs of electrochemical pump cells and sensor cells are prepared, and a sensor composed of one pair of pump cells and sensor cells is used for NOx. The limit current is measured under the partial pressure of oxygen that is not reduced, and the pump current is measured under the partial pressure of oxygen at which NOx is reduced by the sensor consisting of the other pair of pump cells and sensor cells. Or using a sensor consisting of a pair of pump cells and sensor cells, and switching the oxygen partial pressure in the gas to be measured between the oxygen partial pressure at which NOx is reduced and the oxygen partial pressure at which it cannot be reduced. There have been proposed methods for measuring the above.

図25は、これら従来方法の原理図であり、2個の独立した第一及び第二のセンサ素子61、62は、それぞれ拡散抵抗部63、64を介して外部の被測定ガス存在空間につながる内部空所65、66と、固体電解質を用いた電気化学的ポンプセル67、68より成っている。第一のセンサ素子61は、酸素のみを拡散律速条件下でポンピングし、その際のポンプ電流Ip1 に感度係数K1 を掛けて、酸素濃度が求められる。第二のセンサ素子62は、NOx還元能力のある電極又は触媒の存在下で酸素とNOxの両方を拡散律速条件下でポンピングし、その際のポンプ電流Ip2 に感度係数K2 を掛けて、酸素濃度とNOxとの合量が求められる。従って、NOx濃度:Cnは、次式により求められることとなる。
Cn=K2・Ip2−K1・Ip1
FIG. 25 is a principle diagram of these conventional methods. Two independent first and second sensor elements 61 and 62 are connected to an external measurement gas existence space via diffusion resistance parts 63 and 64, respectively. It consists of internal cavities 65 and 66 and electrochemical pump cells 67 and 68 using a solid electrolyte. The first sensor element 61 obtains the oxygen concentration by pumping only oxygen under diffusion-controlled conditions, and multiplying the pump current Ip 1 at that time by the sensitivity coefficient K 1 . The second sensor element 62 pumps both oxygen and NOx under diffusion-limited conditions in the presence of an electrode or catalyst capable of reducing NOx, and multiplies the pump current Ip 2 at that time by a sensitivity coefficient K 2 , The total amount of oxygen concentration and NOx is determined. Therefore, the NOx concentration: Cn is obtained by the following equation.
Cn = K 2 · Ip 2 −K 1 · Ip 1

しかしながら、それらNOx測定方式において、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のが通常であるので、二つの大きな電流値の差により、NOxに相当する小さな電流値を求めることになり、一組のセンサで切り換えて、測定するものにあっては、連続測定が出来なかったり、応答性が劣ったり、精度が劣る等という問題があり、また二組のセンサを用いる方式の場合にあっては、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、自動車用等のように、被測定ガスの酸素濃度が大きく変化する場合には、使用出来ないものであった。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、それぞれ異なることによるものである。例えば、自動車の場合、空燃比が20の運転条件下では、排気ガスの酸素濃度が大略数%であるのに対して、NOx濃度は数百ppmであり、NOxは酸素に対して1/100程度の濃度となるために、酸素濃度に対するポンプ電流の依存性が僅かに異なるだけで、酸素濃度変化に対する限界電流値の差の方が、測定するNOxによる限界電流変化分より大きくなってしまうからである。また、ポンプセルの拡散律速手段が、排気ガス中のオイル燃焼物により目詰まりを起こすと、ポンプ電流に変化が惹起されて精度が失われたり、排気ガス温度が大きく変化すると、測定値に異常が生じたりするものであった。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。   However, in these NOx measurement methods, the limit current value is mostly a current due to oxygen contained in a large amount, and the current based on the target NOx is usually very small, so the difference between the two large current values. As a result, a small current value corresponding to NOx is obtained, and there is a problem that continuous measurement cannot be performed, responsiveness is inferior, accuracy is inferior, etc., when switching with a pair of sensors and measuring. In the case of a system using two sets of sensors, if the oxygen concentration in the gas to be measured changes greatly, an error is likely to occur in the measured value. When the concentration changed greatly, it could not be used. This is because the oxygen concentration dependency of the pump current of one sensor is different from the oxygen concentration dependency of the pump current of the other sensor. For example, in the case of an automobile, the oxygen concentration of the exhaust gas is approximately several percent under the operating condition where the air-fuel ratio is 20, whereas the NOx concentration is several hundred ppm, and NOx is 1/100 of oxygen. Therefore, the difference in the limit current value with respect to the oxygen concentration change is larger than the limit current change due to the NOx to be measured. It is. Also, if the diffusion rate limiting means of the pump cell is clogged by the oil combustion product in the exhaust gas, the pump current will be changed and the accuracy will be lost, or if the exhaust gas temperature changes greatly, the measured value will be abnormal. It happened. Furthermore, if there is a difference in the temporal change in the characteristics of the two sets of sensors, it becomes an error as it is, and there is a disadvantage that it cannot withstand long-time use.

このように、被測定ガス中に存在する酸素は、NOxの測定に際して各種の問題を惹起しているのであるが、また、かかるNOx以外の他の被測定ガス成分の測定に際しても、測定精度を低下せしめる等の同様な問題を惹起しており、その問題の解決が強く望まれているのである。   As described above, oxygen present in the gas to be measured causes various problems when measuring NOx, and also when measuring other gas components to be measured other than NOx, the measurement accuracy is improved. A similar problem such as lowering is caused, and there is a strong desire to solve the problem.

特開昭63−38154号公報JP 63-38154 A 特開昭64−39545号公報JP-A-64-39545 特開平1−277751号公報Japanese Patent Laid-Open No. 1-277751 特開平2−1543号公報JP-A-2-1543

ここにおいて、本発明は、かかる従来のNOx等のガス成分の測定方式における欠点を悉く解消すべく為されたものであって、その解決すべき課題とするところは、被測定ガス中の目的とするガス成分濃度を、酸素濃度或いはその変化に影響を受けることなく、連続的に応答性良く、且つ長時間正確に測定可能とした、被測定ガス中の所望ガス成分、特に結合酸素含有ガス成分の測定方法並びに測定装置を提供することにある。また、本発明の更なる課題とするところは、被測定ガスとして、空燃比が燃料過多領域から空気過剰の領域までの燃焼ガスを対象とし得る、広い範囲で測定可能なNOxセンサ、及びそのような測定領域の広いNOx測定方法を提供することにある。   Here, the present invention has been made in order to eliminate the disadvantages in the conventional measurement method of gas components such as NOx, and the problem to be solved is the purpose in the gas to be measured. The desired gas component in the gas to be measured, in particular the bonded oxygen-containing gas component, can be measured continuously and with good responsiveness without being affected by the oxygen concentration or its change. It is in providing a measuring method and a measuring apparatus. Further, a further object of the present invention is to provide a NOx sensor capable of measuring in a wide range that can target a combustion gas from a fuel rich region to an excessive air region as a gas to be measured, and so on. Another object of the present invention is to provide a NOx measurement method having a wide measurement area.

そして、本発明にあっては、上述の如き課題を解決するために、外部の被測定ガス存在空間より、第一の内部空所に、測定されるべき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導き、該第一の内部空所内において、かかる被測定ガス中の酸素量を制御せしめて、該被測定ガスを、目的とする被測定ガス成分量の測定に実質的に影響がなく且つ該被測定ガス成分に変化を及ぼさない所定の雰囲気と為す一方、かかる制御された第一の内部空所内の雰囲気を、前記第一の内部空所より所定の拡散抵抗の下に第二の内部空所に導き、該第二の内部空所において、該第二の内部空所内の雰囲気中に存在する被測定ガス成分量を測定することを特徴とする被測定ガス中の所定ガス成分の測定方法を、その要旨とするものである。   In the present invention, in order to solve the problems as described above, a measured gas containing a measured gas component to be measured is placed in the first internal space from the external measured gas existence space. Leading under a predetermined diffusion resistance and controlling the amount of oxygen in the measured gas in the first internal space, the measured gas is substantially used for measuring the target measured gas component amount. The controlled atmosphere in the first internal space is less than the first internal space under a predetermined diffusion resistance. To the second internal space, and in the second internal space, the amount of the measured gas component existing in the atmosphere in the second internal space is measured. The gist of the method for measuring the predetermined gas component is as follows.

なお、このような本発明に従う測定方法の好ましい態様によれば、前記第一内部空所に導かれる被測定ガス中の酸素量が制御せしめられて、該第一の内部空所内において、実質的に無視し得る酸素濃度の雰囲気とされる。   Note that, according to such a preferred embodiment of the measurement method according to the present invention, the amount of oxygen in the gas to be measured guided to the first internal space is controlled so that the substantial amount of oxygen in the first internal space is substantially reduced. The atmosphere has a negligible oxygen concentration.

また、この本発明に従う測定方法の他の好ましい態様によれば、前記第一の内部空所における被測定ガス中の酸素量の制御が、電気化学的セルによる酸素のポンピング作用によって実現されることとなる。   According to another preferable aspect of the measuring method according to the present invention, the control of the oxygen amount in the gas to be measured in the first internal space is realized by the pumping action of oxygen by the electrochemical cell. It becomes.

そして、かかる本発明の測定方法の有利な態様の一つによれば、外部の被測定ガス存在空間より、第一の内部空所内に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導き、該第一の内部空所内において、かかる被測定ガス中の酸素量を制御せしめ、該被測定ガスを、結合酸素を有する被測定ガス成分量の測定に実質的に影響がなく且つ実質的に該被測定ガス成分が還元乃至は分解され得ない所定の雰囲気に制御する一方、かかる制御された第一の内部空所内の雰囲気を、前記第一の内部空所より所定の拡散抵抗の下に第二の内部空所内に導き、該第二の内部空所内において、該第二の内部空所の雰囲気中に存在する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電気化学的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、該電気化学的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成分量を求めることを特徴とするものである。   According to one of the advantageous aspects of the measuring method of the present invention, the measured gas component containing the measured gas component having the bound oxygen to be measured in the first internal space from the external measured gas existence space. The measurement gas is guided under a predetermined diffusion resistance, the amount of oxygen in the measurement gas is controlled in the first internal space, and the measurement gas is measured for the amount of the measurement gas component having bound oxygen. Is controlled to a predetermined atmosphere in which the gas component to be measured cannot be substantially reduced or decomposed, and the atmosphere in the controlled first internal space is It leads from the internal space into the second internal space under a predetermined diffusion resistance, and reduces or measures the gas component to be measured existing in the atmosphere of the second internal space in the second internal space. It decomposes and oxygen generated at that time is electrochemical cell The pump current flowing through the electrochemical cell is detected by pumping with oxygen pumping, and the measured gas component amount in the measured gas is obtained from the detected value. .

なお、かくの如き本発明に従う測定方法における好ましい他の態様の一つによれば、前記第一の内部空所に導かれる被測定ガス中の酸素量が制御せしめられて、該第一の内部空所内において実質的に無視し得る酸素濃度の雰囲気とされることとなる。   According to another preferred embodiment of the measurement method according to the present invention as described above, the amount of oxygen in the gas to be measured guided to the first internal space is controlled, and the first internal The atmosphere has an oxygen concentration that can be substantially ignored in the void.

また、そのような本発明に従う測定方法の他の好ましい態様の一つによれば、前記第一の内部空間における被測定ガス中の酸素量の制御が、前記電気化学的セルとは異なる別の電気化学的セルによる酸素のポンピング作用によって実現されることとなる。   According to another preferred embodiment of the measuring method according to the present invention, the oxygen amount in the gas to be measured in the first internal space is different from that of the electrochemical cell. It will be realized by the pumping action of oxygen by the electrochemical cell.

ところで、かかる本発明に従う測定方法においては、外部の被測定ガス存在空間より、第一の内部空所に、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導き、該第一の内部空所に対する第一の電気化学的セルによる酸素のポンピング作用により、該第一の内部空所内の雰囲気中の酸素分圧を、該第一の内部空所の加熱環境下において該被測定ガス成分が実質的に還元乃至は分解され得ない所定の低い値に制御する一方、かかる制御された第一の内部空所内の雰囲気を、第二の内部空所に所定の拡散抵抗の下に導き、更に該第二の内部空所に対する第二の電気化学的セルによる酸素のポンピング作用によって酸素を汲み出し、該第二の内部空所内の雰囲気中の酸素分圧を、該第二の内部空所の加熱環境下において被測定ガス成分が還元乃至は分解され得る所定の値に制御して、該第二の内部空所内の雰囲気中に存在する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も同時に汲み出すようにすることにより、該第二の電気化学的セルによる酸素のポンピングにて流れるポンプ電流を検出し、その検出値より被測定ガス中の被測定ガス成分量を求めることを特徴とする測定方法をも、その要旨とするものである。   By the way, in the measuring method according to the present invention, a measured gas containing a measured gas component having bound oxygen to be measured is introduced into a predetermined diffusion resistance in the first internal space from the external measured gas existence space. The oxygen partial pressure in the atmosphere in the first internal cavity is reduced by the pumping action of oxygen by the first electrochemical cell to the first internal cavity. The measured gas component is controlled to a predetermined low value at which the gas component to be measured cannot be substantially reduced or decomposed in the heating environment, while the atmosphere in the controlled first internal space is changed to the second internal space. And oxygen is pumped out by a pumping action of oxygen by the second electrochemical cell to the second internal space, and the partial pressure of oxygen in the atmosphere in the second internal space is reduced. Heating the second internal cavity Controlled to a predetermined value at which the gas component to be measured can be reduced or decomposed under the boundary, the gas component to be measured present in the atmosphere in the second internal space is reduced or decomposed and generated The pumping current is pumped out at the same time, so that the pump current flowing by pumping oxygen by the second electrochemical cell is detected, and the measured gas component amount in the measured gas is obtained from the detected value. The gist of the measuring method is characterized by this.

さらに、本発明に従う測定方法は、外部の被測定ガス存在空間より、第一の内部空所に、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導き、該第一の内部空所に対する第一の電気化学的セルによる酸素のポンピング作用により、該第一の内部空所内の雰囲気中の酸素分圧を、該第一の内部空所の加熱環境下において被測定ガス成分が実質的に還元乃至は分解され得ない所定の低い値に制御する一方、かかる制御された第一の内部空所内の雰囲気を、該第一の内部空所に連通して設けられ、所定の拡散抵抗を有する多孔質体が充填されてなる第二の内部空所に導き、更に該第二の内部空所に対する第二の電気化学的セルによる酸素のポンピング作用によって酸素を汲み出し、該第二の内部空所内の雰囲気中の酸素分圧を、該第二の内部空所の加熱環境下において被測定ガス成分が還元乃至は分解され得る所定の値に制御して、該第二の内部空所内の雰囲気中に存在する被測定ガス成分を還元せしめ、その際に発生する酸素をも同時に汲み出すようにすることにより、該第二の電気化学的セルによる酸素のポンピングにて流れるポンプ電流を検出し、その検出値より被測定ガス中の被測定ガス成分量を求めることを特徴とする測定方法をも、その要旨とするものである。   Furthermore, the measurement method according to the present invention allows a measurement gas containing a measurement gas component having bound oxygen to be measured to be measured under a predetermined diffusion resistance from the external measurement gas existence space to the first internal space. And the oxygen partial pressure in the atmosphere in the first internal cavity is increased by the pumping action of oxygen by the first electrochemical cell to the first internal cavity. The gas component to be measured is controlled to a predetermined low value that cannot be substantially reduced or decomposed in the environment, and the atmosphere in the controlled first internal space is communicated with the first internal space. And is led to a second internal cavity filled with a porous body having a predetermined diffusion resistance, and further by the pumping action of oxygen by the second electrochemical cell to the second internal cavity Pumps oxygen out of the second internal cavity The oxygen partial pressure in the atmosphere is controlled to a predetermined value at which the gas component to be measured can be reduced or decomposed in the heating environment of the second internal space, and the atmospheric pressure in the second internal space is adjusted. By reducing the existing gas component to be measured and pumping out the oxygen generated at that time, the pump current flowing by pumping oxygen by the second electrochemical cell is detected and detected. The gist of the measurement method is that the amount of the gas component to be measured in the gas to be measured is obtained from the value.

なお、かかる本発明に従う測定方法における好ましい態様によれば、前記第一の内部空所内の雰囲気中の酸素分圧を検出し、その検出値に基づいて電源電圧を変化せしめて、前記第一の電気化学的セルによる酸素のポンピング作用を制御することにより、該第一の内部空所内の雰囲気中の酸素分圧が所定の一定値に制御せしめられることとなる。   According to a preferred aspect of the measurement method according to the present invention, the partial pressure of oxygen in the atmosphere in the first internal space is detected, and the power supply voltage is changed based on the detected value, so that the first By controlling the pumping action of oxygen by the electrochemical cell, the oxygen partial pressure in the atmosphere in the first internal space is controlled to a predetermined constant value.

また、本発明に従う測定方法の好ましい態様の他の一つによれば、前記第二の電気化学的セルによる酸素のポンピングが、被測定ガス成分の拡散限界電流を与える大きさの電圧を印加せしめ得る定電圧電源からの給電によって行なわれ、かかる限界電流値において、前記第二の内部空所内の雰囲気中の酸素分圧が制御される。   According to another preferred embodiment of the measuring method according to the present invention, the pumping of oxygen by the second electrochemical cell applies a voltage having a magnitude that gives a diffusion limit current of the gas component to be measured. This is performed by supplying power from a constant voltage power source, and the oxygen partial pressure in the atmosphere in the second internal space is controlled at the limit current value.

さらに、本発明に従う有利な態様の一つによれば、前記第二の内部空所の加熱温度は、前記第一の内部空所の加熱温度と同等若しくはそれ以上とされることとなる。   Furthermore, according to one of the advantageous embodiments according to the present invention, the heating temperature of the second internal space is equal to or higher than the heating temperature of the first internal space.

更にまた、本発明に従う有利な態様の他の一つによれば、前記第二の内部空所内の雰囲気中の酸素分圧は、前記第一の内部空所内の雰囲気中の酸素分圧と同等若しくはそれ以下とされることとなる。   Furthermore, according to another advantageous embodiment according to the invention, the oxygen partial pressure in the atmosphere in the second internal space is equal to the oxygen partial pressure in the atmosphere in the first internal space. Or less than that.

そして、このような本発明に従う測定方法において、測定対象たる、結合酸素を有する被測定ガス成分は、有利には、NOx、CO2 及びH2 Oのうちの何れかとされる。 In such a measurement method according to the present invention, the gas component to be measured having bound oxygen, which is a measurement target, is advantageously any one of NOx, CO 2, and H 2 O.

本発明は、また、次のような被測定ガス中の所定ガス成分の測定装置をも、その要旨とするものであって、上述の測定方法は、そのような測定装置において有利に実施され得るものである。   The gist of the present invention is also a measuring device for a predetermined gas component in a gas to be measured as described below, and the above-described measuring method can be advantageously implemented in such a measuring device. Is.

すなわち、そのような本発明に従うところの被測定ガス中の所定ガス成分の測定装置は、被測定ガス中の結合酸素を有する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量を測定することにより、被測定ガス中の該被測定ガス成分量を求めるようにした測定装置にして、外部の被測定ガス存在空間に連通された第一の内部空所と;該被測定ガス存在空間より、前記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該第一の内部空所に導く第一の拡散律速手段と;第一の酸素イオン伝導性固体電解質とこれに接して設けられた一対の電極からなる電気化学的セルを用いて、それら一対の電極間への通電により、前記第一の内部空所に対する酸素のポンピングを行ない、該第一の内部空所の雰囲気中の酸素分圧を、前記被測定ガス成分が実質的に還元乃至は分解され得ない所定の低い値に制御せしめる第一の酸素ポンプ手段と;前記第一の内部空所に連通されてなる第二の内部空所と;前記第一の内部空所内の制御された雰囲気を、所定の拡散抵抗の下に、該第二の内部空所内に導く第二の拡散律速手段と;第二の酸素イオン伝導性固体電解質とこれに接して設けられた一対の電極からなる電気化学的セルを用いて、それら一対の電極間への通電により、前記第二の内部空所内の雰囲気中の酸素を汲み出し、かかる雰囲気中の酸素分圧を、前記NOx成分が還元乃至は分解され得る所定の値に制御して、該第二の内部空所内の雰囲気中に存在するNOx成分を還元乃至は分解せしめ、その際に発生する酸素をも同時に汲み出すようにした第二の酸素ポンプ手段と;該第二の酸素ポンプ手段のポンプ作動によって流れるポンプ電流を検出する電流検出手段とを、有することを特徴とする被測定ガス中の所定ガス成分の測定装置を、その要旨とするものである。   That is, the apparatus for measuring a predetermined gas component in a gas to be measured according to the present invention reduces or decomposes the gas component to be measured having bound oxygen in the gas to be measured, and the amount of oxygen generated at that time. A measurement device configured to determine the amount of the gas component to be measured in the gas to be measured by measuring the first internal space communicated with the external space to be measured gas; and the gas to be measured; A first diffusion rate controlling means for guiding a measurement gas containing the measurement gas component from the existence space to the first internal space under a predetermined diffusion resistance; and a first oxygen ion conductive solid electrolyte; Using an electrochemical cell composed of a pair of electrodes provided in contact therewith, the first internal space is pumped by oxygen by energization between the pair of electrodes, and the first internal space. The oxygen partial pressure in the atmosphere First oxygen pump means for controlling the gas component to be measured to a predetermined low value at which the gas component to be measured cannot be substantially reduced or decomposed; and a second internal space communicated with the first internal space; A second diffusion rate controlling means for guiding a controlled atmosphere in the first inner space into the second inner space under a predetermined diffusion resistance; a second oxygen ion conductive solid electrolyte and An electrochemical cell composed of a pair of electrodes provided in contact with each other, pumping out oxygen in the atmosphere in the second internal space by energization between the pair of electrodes, and oxygen content in the atmosphere The pressure is controlled to a predetermined value at which the NOx component can be reduced or decomposed, and the NOx component present in the atmosphere in the second internal space is reduced or decomposed, and oxygen generated at that time is reduced. The second oxygen pump hand that pumped out at the same time An apparatus for measuring a predetermined gas component in a gas to be measured, characterized by comprising: current detection means for detecting a pump current flowing by the pump operation of the second oxygen pump means. is there.

なお、このような本発明に従う測定装置の好ましい態様によれば、前記第二の内部空所内には、前記被測定ガス成分を還元乃至は分解せしめて、酸素を発生させる触媒が配置される。   According to such a preferred aspect of the measuring apparatus according to the present invention, a catalyst that generates oxygen by reducing or decomposing the gas component to be measured is disposed in the second internal space.

また、この本発明に従う測定装置の他の好ましい態様によれば、前記触媒は、前記第二の酸素ポンプ手段における電気化学的セルを構成する一対の電極のうち、前記第二の内部空所内に配される電極を兼ねている。   According to another preferable aspect of the measuring apparatus according to the present invention, the catalyst is in the second internal space of the pair of electrodes constituting the electrochemical cell in the second oxygen pump means. Also serves as an electrode.

更にまた、本発明に従う測定装置の好ましい他の態様の一つによれば、前記第一及び第二の酸素イオン伝導性固体電解質を含んで一体構造とされたセンサ素子を有し、該センサ素子に、前記第一及び第二の内部空所と、前記第一及び第二の拡散律速手段と、前記第一及び前記第二の酸素ポンプ手段とが一体的に設けられている構造が、採用されることとなる。   Furthermore, according to one of the other preferable aspects of the measuring apparatus according to the present invention, the sensor device includes a sensor element including the first and second oxygen ion conductive solid electrolytes, and the sensor element is integrated. The first and second internal cavities, the first and second diffusion rate limiting means, and the first and second oxygen pump means are integrally provided. Will be.

そして、かかる本発明の測定装置の有利な態様の一つによれば、前記センサ素子は、外部の被測定ガス存在空間に開口する、予め定められた拡散抵抗を有する細隙な平坦空間を有し、該平坦空間にて、前記第一及び第二の拡散律速手段が構成されていると共に、該平坦空間の前記被測定ガス存在空間開口側部位が前記第一の内部空所とされて、そこに前記第一の酸素ポンプ手段が設けられ、更に該平坦空間の該第一の内部空所よりも奥側の部位が、前記第二の内部空所とされて、そこに前記第二の酸素ポンプ手段が設けられるように構成される。   According to one advantageous aspect of the measuring apparatus of the present invention, the sensor element has a slit flat space having a predetermined diffusion resistance that opens to an external space where the gas to be measured exists. In the flat space, the first and second diffusion rate-limiting means are configured, and the measurement gas existence space opening side portion of the flat space is defined as the first internal space, The first oxygen pump means is provided there, and further, the portion of the flat space on the back side of the first internal space is defined as the second internal space, and the second oxygen space is provided in the second space. An oxygen pump means is provided.

そしてまた、本発明に従う測定装置の他の一つの態様によれば、前記第一及び第二の酸素イオン伝導性固体電解質は、同一の酸素イオン伝導性固体電解質層にて構成されたり、或いは異なる酸素イオン伝導性固体電解質層にて、それぞれ、構成されることとなる。   According to another aspect of the measuring apparatus according to the present invention, the first and second oxygen ion conductive solid electrolytes are composed of the same oxygen ion conductive solid electrolyte layer or different. Each of the oxygen ion conductive solid electrolyte layers is constituted.

さらに、本発明に従う測定装置にあっては、前記センサ素子における平坦空間の開口部内に、所定の拡散抵抗を有する多孔質体が充填されたり、或いは、前記第一の内部空所内及び/又は前記第二の内部空所内に、所定の拡散抵抗を有する多孔質体が充填される構成が、適宜に採用されることとなる。   Furthermore, in the measuring apparatus according to the present invention, a porous body having a predetermined diffusion resistance is filled in the opening of the flat space in the sensor element, or the first internal space and / or the A configuration in which a porous body having a predetermined diffusion resistance is filled in the second internal space is appropriately employed.

加えて、本発明の上記した測定装置の好ましい態様によれば、前記第一の内部空所及び前記第二の内部空所をぞれぞれ所定の温度に加熱せしめ得る加熱手段を、更に設けてなる構成が、有利に採用され、これによって、被測定ガスの温度が低い場合においても、測定装置を効果的に作動せしめ得、また被測定ガス中における所定ガス成分の分解も有利に行ない得るのである。   In addition, according to a preferred aspect of the above-described measuring apparatus of the present invention, there is further provided a heating means capable of heating each of the first internal space and the second internal space to a predetermined temperature. Therefore, even when the temperature of the gas to be measured is low, the measuring device can be operated effectively, and the predetermined gas component in the gas to be measured can be advantageously decomposed. It is.

また、本発明にあっては、前記した課題解決のために、酸素イオン伝導性固体電解質を含んで一体構造とされたセンサ素子を用い、該センサ素子に設けた触媒にて被測定ガス中の結合酸素を有する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量を測定することにより、被測定ガス中の被測定ガス成分量を求めるようにした測定装置であって、(a)該センサ素子の一体構造内に設けられた、外部の被測定ガス存在空間に連通する第一の内部空所と、(b)該被測定ガス存在空間より、所定の拡散抵抗の下に、前記被測定ガス成分を含む被測定ガスを該第一の内部空所に導く第一の拡散律速手段と、(c)前記センサ素子の一体構造内に、前記第一の内部空所に連通し且つ該第一の内部空所とは別個に設けられ、内部に前記触媒が配されてなる第二の内部空所と、(d)前記第一の内部空所内の雰囲気を所定の拡散抵抗の下に該第二の内部空所に導く第二の拡散律速手段と、(e)前記第一の内部空所及び前記第二の内部空所をそれぞれ所定の温度に加熱せしめ得る加熱手段と、(f)前記センサ素子の酸素イオン伝導性固体電解質とこれに接して設けられた一対の電極からなる電気化学的セルを用いて、それら一対の電極間への通電により、前記第一の内部空所に対して酸素の汲み出し或いは汲み入れを行ない、該第一の内部空所内の雰囲気中の酸素分圧を、該第一の内部空所の加熱環境下において、前記被測定ガスが実質的に還元乃至は分解され得ない所定の低い値に制御せしめる第一の酸素ポンプ手段と、(g)前記センサ素子の酸素イオン伝導性固体電解質とこれに接して設けられた一対の電極からなる電気化学的セルを用いて、それら一対の電極間への通電により、前記第二の内部空所内の雰囲気中の酸素を汲み出し、かかる雰囲気中の酸素分圧を、該第二の内部空所の加熱環境下において、前記触媒にて前記被測定ガス成分が還元乃至は分解され得る所定の値に制御して、該第二の内部空所内の雰囲気中に存在する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も同時に汲み出すようにした第二の酸素ポンプ手段と、(h)該第二の酸素ポンプ手段のポンプ作動によって流れるポンプ電流を検出する電流検出手段とを、有することを特徴とする測定装置をも、その要旨とするものである。   Further, in the present invention, in order to solve the above-described problem, a sensor element including an oxygen ion conductive solid electrolyte is used as an integral structure, and a catalyst provided in the sensor element is used in a gas to be measured. A measuring apparatus for reducing or decomposing a gas component to be measured having bound oxygen and determining the amount of gas component to be measured in the gas to be measured by measuring the amount of oxygen generated at that time. a) a first internal space provided in an integrated structure of the sensor element and communicating with an external space to be measured gas; and (b) below a predetermined diffusion resistance from the space to be measured. A first diffusion rate controlling means for guiding a gas to be measured containing the gas component to be measured to the first internal space; and (c) communicating with the first internal space in an integrated structure of the sensor element. And provided separately from the first internal space, A second internal space in which a medium is disposed; and (d) second diffusion rate controlling means for guiding the atmosphere in the first internal space to the second internal space under a predetermined diffusion resistance. (E) heating means capable of heating each of the first internal space and the second internal space to a predetermined temperature; and (f) an oxygen ion conductive solid electrolyte of the sensor element in contact therewith. Using an electrochemical cell composed of a pair of electrodes provided, oxygen is pumped or pumped into and from the first internal space by energization between the pair of electrodes. The first oxygen that controls the oxygen partial pressure in the atmosphere in the void to a predetermined low value at which the gas under measurement cannot be substantially reduced or decomposed in the heating environment of the first void. Pump means; and (g) oxygen ion conductive solid electrolysis of the sensor element. And an electrochemical cell comprising a pair of electrodes provided in contact therewith, by energizing between the pair of electrodes, pumping out oxygen in the atmosphere in the second internal space, The oxygen partial pressure is controlled to a predetermined value at which the gas component to be measured can be reduced or decomposed by the catalyst under the heating environment of the second internal space, and the oxygen partial pressure in the second internal space is controlled. A second oxygen pump means for reducing or decomposing a gas component to be measured present in the atmosphere and pumping out oxygen generated at the same time; and (h) a pump of the second oxygen pump means. The gist of the present invention is also a measuring device having current detecting means for detecting a pump current flowing by operation.

同様に、本発明では、酸素イオン伝導性固体電解質を含んで一体構造とされたセンサ素子を用い、該センサ素子に設けた触媒にて被測定ガス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量を測定することにより、被測定ガス中の被測定ガス成分量を求めるようにした測定装置であって、(a)該センサ素子の一体構造内に設けられた、外部の被測定ガス存在空間に連通する第一の内部空所と、(b)該被測定ガス存在空間より、所定の拡散抵抗の下に、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該第一の内部空所に導く第一の拡散律速手段と、(c′)前記センサ素子の一体構造内に、前記第一の内部空所に連通され、内部に前記触媒が配されてなる第二の内部空所と、(d′)該第二の内部空所内に充填された、所定の拡散抵抗を有する多孔質体から構成される第二の拡散律速手段と、(e)前記第一の内部空所及び前記第二の内部空所をそれぞれ所定の温度に加熱せしめ得る加熱手段と、(f)前記センサ素子の酸素イオン伝導性固体電解質とこれに接して設けられた一対の電極からなる電気化学的セルを用いて、それら一対の電極間への通電により、前記第一の内部空所に対して酸素の汲み出し或いは汲み入れを行ない、該第一の内部空所内の雰囲気中の酸素分圧を、該第一の内部空所の加熱環境下において、被測定ガス成分が実質的に還元乃至は分解され得ない所定の低い値に制御せしめる第一の酸素ポンプ手段と、(g)前記センサ素子の酸素イオン伝導性固体電解質とこれに接して設けられた一対の電極からなる電気化学的セルを用いて、それら一対の電極間への通電により、前記第二の内部空所内の雰囲気中の酸素を汲み出し、かかる雰囲気中の酸素分圧を、該第二の内部空所の加熱環境下において、前記触媒にて前記被測定ガス成分が還元乃至は分解され得る所定の値に制御して、該第二の内部空所内の雰囲気中に存在する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も同時に汲み出すようにした第二の酸素ポンプ手段と、(h)該第二の酸素ポンプ手段のポンプ作動によって流れるポンプ電流を検出する電流検出手段とを、有することを特徴とする測定装置をも、その要旨とするものである。   Similarly, in the present invention, a sensor element including an oxygen ion conductive solid electrolyte is used as an integral structure, and a gas component to be measured in the gas to be measured is reduced or decomposed by a catalyst provided in the sensor element. The measuring device is configured to determine the amount of gas component to be measured in the gas to be measured by measuring the amount of oxygen generated at that time, and (a) provided in an integral structure of the sensor element. A first internal space communicating with an external measurement gas existence space; and (b) a measurement gas component having bound oxygen to be measured from the measurement gas existence space under a predetermined diffusion resistance. (D) a first diffusion rate controlling means for guiding the gas to be measured to the first internal space; and (c ′) an integrated structure of the sensor element, the first internal space communicating with the first internal space, and the catalyst inside A second internal space, and (d ′) the second internal space A second diffusion rate-controlling means composed of a porous body having a predetermined diffusion resistance and filled in the space; and (e) the first internal space and the second internal space are each defined in the predetermined space. Heating means capable of heating to a temperature, and (f) an electrochemical cell comprising an oxygen ion conductive solid electrolyte of the sensor element and a pair of electrodes provided in contact therewith, Oxygen is pumped or pumped into the first internal space by energization, and the oxygen partial pressure in the atmosphere in the first internal space is reduced under the heating environment of the first internal space. A first oxygen pump means for controlling the gas component to be measured to a predetermined low value at which the gas component cannot be substantially reduced or decomposed; and (g) an oxygen ion conductive solid electrolyte of the sensor element and the first oxygen pump means Electricity consisting of a pair of electrodes By using an electrical cell between the pair of electrodes, oxygen in the atmosphere in the second internal space is pumped out, and the oxygen partial pressure in the atmosphere is heated to heat the second internal space. Under the environment, the gas component to be measured is controlled to a predetermined value that can be reduced or decomposed by the catalyst, and the gas component to be measured existing in the atmosphere in the second internal space is reduced or decomposed. A second oxygen pump means for simultaneously pumping oxygen generated at that time, and (h) a current detection means for detecting a pump current flowing by the pump operation of the second oxygen pump means, A gist of the measuring device is also provided.

なお、かかる本発明に従う測定装置の好ましい態様によれば、該測定装置は、前記第一の内部空所内の雰囲気中の酸素分圧を検出する酸素分圧検出手段を更に有し、該酸素分圧検出手段にて検出された酸素分圧値に基づいて、前記第一の酸素ポンプ手段における電気化学的セルの一対の電極間への通電量を制御することにより、前記第一の内部空所内の雰囲気中の酸素分圧を制御するように構成され、これによって第一の内部空所内の酸素分圧の制御をより正確に且つ容易と為し得るのである。   According to a preferred aspect of the measuring apparatus according to the present invention, the measuring apparatus further includes oxygen partial pressure detecting means for detecting an oxygen partial pressure in the atmosphere in the first internal space, Based on the oxygen partial pressure value detected by the pressure detecting means, by controlling the amount of current flowing between the pair of electrodes of the electrochemical cell in the first oxygen pump means, the inside of the first internal space Therefore, the oxygen partial pressure in the first internal space can be controlled more accurately and easily.

また、本発明に従う測定装置の他の好ましい態様によれば、前記センサ素子の一体構造内に、前記第一及び第二の内部空所とは独立して、基準ガス存在空所を設けると共に、該基準ガス存在空所と前記第一の内部空所との間に延在する酸素イオン伝導性固体電解質と、該基準ガス存在空所に位置する該固体電解質に接して設けられた基準電極と、該第一の内部空所に位置する該固体電解質に接して設けられた測定電極とからなる電気化学的セルにて、前記酸素分圧検出手段が構成され、そしてその際、前記基準ガス存在空所は、好ましくは、前記センサ素子の大気露呈部位において開口せしめられ、該開口部を通じて大気が基準ガスとして該基準ガス存在空所内に導き入れられるようになっている。   According to another preferred aspect of the measuring device according to the present invention, a reference gas existence space is provided in the integral structure of the sensor element independently of the first and second internal spaces, An oxygen ion conductive solid electrolyte extending between the reference gas existence space and the first internal space; and a reference electrode provided in contact with the solid electrolyte located in the reference gas existence space; The oxygen partial pressure detecting means is constituted by an electrochemical cell comprising a measurement electrode provided in contact with the solid electrolyte located in the first internal space, and the presence of the reference gas The void is preferably opened at the atmospheric exposure portion of the sensor element, and the atmospheric air is introduced as a reference gas into the void where the reference gas exists through the opening.

さらに、本発明の望ましい態様の一つによれば、前記第二の酸素ポンプ手段における電気化学的セルは、前記第二の内部空所と前記基準ガス存在空所との間に延在する酸素イオン伝導性固体電解質と、該第二の内部空所に位置する該固体電解質に接して設けられた第一のポンプ電極と、該基準ガス存在空所に位置する該固体電解質に接して設けられた第二のポンプ電極とから構成されており、そして有利には、該第二の酸素ポンプ手段の電気化学的セルにおける酸素イオン伝導性固体電解質と前記酸素分圧検出手段の電気化学的セルにおける酸素イオン伝導性固体電解質とが一体の酸素イオン伝導性固体電解質から構成され、且つ該固体電解質上に設けられる前記第二のポンプ電極と前記基準電極とが共通極とされているのである。   Further, according to one of the preferred embodiments of the present invention, the electrochemical cell in the second oxygen pump means includes oxygen extending between the second internal space and the reference gas existing space. An ion conductive solid electrolyte, a first pump electrode provided in contact with the solid electrolyte located in the second internal space, and a solid electrolyte located in the reference gas existence space. A second pump electrode and advantageously in the electrochemical cell of the second oxygen pump means the oxygen ion conducting solid electrolyte and in the electrochemical cell of the oxygen partial pressure detection means The oxygen ion conductive solid electrolyte is composed of an integral oxygen ion conductive solid electrolyte, and the second pump electrode and the reference electrode provided on the solid electrolyte are used as a common electrode.

本発明に従う測定装置の有利な態様の一つによれば、前記第二の酸素ポンプ手段を構成する電気化学的セルの、前記第二の内部空所に配設される前記第一のポンプ電極は、前記触媒と同一とされており、装置製作工程の簡略化が図られている。   According to one advantageous aspect of the measuring device according to the present invention, the first pump electrode disposed in the second internal space of the electrochemical cell constituting the second oxygen pump means. Is the same as the catalyst, and simplifies the device manufacturing process.

そして、本発明において、そのような第一のポンプ電極は、有利には、前記結合酸素を有する被測定ガス成分を還元乃至は分解し得る金属とセラミックスとからなる多孔質サーメットにて構成されているのであって、このような触媒を兼ねる電極構造の採用によって、被測定ガス成分の還元乃至は分解を有効に行ない得るのである。   In the present invention, such a first pump electrode is advantageously composed of a porous cermet made of a metal and a ceramic capable of reducing or decomposing the gas component to be measured having bound oxygen. Therefore, by adopting such an electrode structure that also serves as a catalyst, the gas component to be measured can be effectively reduced or decomposed.

なお、本発明に従う態様の一つによれば、前記触媒は、前記第二の酸素ポンプ手段を構成する電気化学的セルの第一のポンプ電極に近接して、前記第二の内部空所内に配置されたり、或いは前記第二の酸素ポンプ手段を構成する電気化学的セルの第一のポンプ電極上に積層して、設けられることとなる。   According to one aspect of the present invention, the catalyst is in the second internal space in the vicinity of the first pump electrode of the electrochemical cell constituting the second oxygen pump means. It is arranged or provided on the first pump electrode of the electrochemical cell constituting the second oxygen pump means.

また、本発明に従う測定装置の好ましい態様の異なる一つによれば、前記加熱手段は、前記センサ素子内において前記第二の内部空所側に偏倚して配設されており、前記第一の内部空所よりも該第二の内部空所がより高温に加熱せしめられ得るように構成されている。このような加熱手段の配設によって、第二の内部空所が容易に被測定ガス成分の還元乃至は分解され得る環境(特に温度)下に保持され得ることとなる。   Further, according to a different preferred embodiment of the measuring device according to the present invention, the heating means is disposed in the sensor element so as to be biased toward the second internal space, and the first means The second internal space is configured to be heated to a higher temperature than the internal space. By providing such a heating means, the second internal space can be maintained in an environment (particularly temperature) where the gas component to be measured can be easily reduced or decomposed.

さらに、本発明に従う測定装置の好ましい態様の異なる他の一つによれば、前記第二の拡散律速手段における拡散抵抗が、前記第一の拡散律速手段における拡散抵抗よりも大きくされており、これによってオイル燃焼物による目詰まりに基づくところの被測定ガス成分の測定値に対する影響を効果的に回避することが出来るのである。   Furthermore, according to another different preferred embodiment of the measuring apparatus according to the present invention, the diffusion resistance in the second diffusion rate-limiting means is larger than the diffusion resistance in the first diffusion rate-limiting means, Thus, it is possible to effectively avoid the influence on the measured value of the gas component to be measured based on clogging by the oil combustion product.

更には、本発明に従う測定装置の有利な態様の他の一つによれば、測定対象たる、結合酸素を有する被測定ガス成分は、NOx、CO2 及びH2 Oのうちの何れかである。 Furthermore, according to another advantageous aspect of the measuring device according to the present invention, the gas component to be measured having bound oxygen to be measured is any one of NOx, CO 2 and H 2 O. .

ところで、本発明は、また、被測定ガス存在空間より導かれた被測定ガス中の酸素分圧を所定の値に制御せしめる第一の酸素ポンプ手段と、該第一の酸素ポンプ手段にて制御された酸素分圧の被測定ガスより、該被測定ガス中の酸素を汲み出し、かかる雰囲気中の酸素分圧を、前記NOx成分が還元乃至は分解され得る所定の値に制御して、該第二の内部空所内の雰囲気中に存在するNOx成分を還元乃至は分解せしめ、その際に発生する酸素をも同時に汲み出すようにした第二の酸素ポンプ手段とを有し、該第二の酸素ポンプ手段のポンプ作動によって流れるポンプ電流を検出することにより、被測定ガス中に存在するNOx濃度を求めるようにしたことを特徴となるNOxセンサを、その要旨としている。   By the way, the present invention also includes a first oxygen pump means for controlling the oxygen partial pressure in the measurement gas led from the measurement gas existence space to a predetermined value, and the first oxygen pump means. Then, oxygen in the gas to be measured is pumped out from the gas to be measured having a partial pressure of oxygen, and the oxygen partial pressure in the atmosphere is controlled to a predetermined value at which the NOx component can be reduced or decomposed. A second oxygen pump means for reducing or decomposing NOx components present in the atmosphere in the second internal space and for simultaneously pumping out the oxygen generated at that time. The gist of the NOx sensor is characterized in that the NOx concentration present in the gas to be measured is obtained by detecting the pump current flowing by the pump operation of the pump means.

さらに、本発明は、固体電解質とそれに接して設けられた一対の電極とからなり、該一対の電極のうちの一つが、被測定ガスの導入される第一の内部空所に配されている第一の電気化学的ポンプセルと、固定電解質とそれに接して設けられた一対の電極とからなり、該一対の電極のうちの一つが、NOx測定用の第二の内部空所に配されている第二の電気化学的ポンプセルを有し、該第二の電気化学的ポンプセルの前記第二の内部空所に配された電極のNOx還元力が、前記第一の内部空所に配された電極のNOx還元力よりも強くなるように構成して、該第一の電気化学的ポンプセルにて前記第一の内部空所内の酸素濃度を調整する一方、該第二の電気化学的ポンプセルにて前記第二の内部空所内のNOx濃度を検出するようにしたことを特徴とするNOxセンサをも、その要旨としている。   Furthermore, the present invention comprises a solid electrolyte and a pair of electrodes provided in contact therewith, and one of the pair of electrodes is disposed in a first internal space into which a gas to be measured is introduced. It consists of a first electrochemical pump cell, a stationary electrolyte, and a pair of electrodes provided in contact therewith, and one of the pair of electrodes is arranged in a second internal space for NOx measurement. An electrode having a second electrochemical pump cell, wherein the NOx reducing power of the electrode disposed in the second internal space of the second electrochemical pump cell is disposed in the first internal space And the oxygen concentration in the first internal space is adjusted by the first electrochemical pump cell, while the second electrochemical pump cell is used for adjusting the oxygen concentration in the first electrochemical pump cell. To detect the NOx concentration in the second internal space. Also NOx sensor according to symptoms, and its gist.

なお、かかる本発明に従うNOxセンサの望ましい態様の一つによれば、前記第一の内部空所と前記第二の内部空所とが連通せしめられており、前記第一の電気化学的ポンプセルにて調整された酸素濃度の雰囲気が、該第一の内部空所から該第二の内部空所に導かれるようになっている。   According to one of the desirable embodiments of the NOx sensor according to the present invention, the first internal cavity and the second internal cavity are communicated with each other, and the first electrochemical pump cell An atmosphere having an oxygen concentration adjusted in this manner is guided from the first internal space to the second internal space.

従って、このような本発明に従う被測定ガス中の所定ガス成分の測定方法及び測定装置によれば、被測定ガス中の酸素濃度或いはその変化に何等の影響をも受けることなく、目的とする被測定ガス成分の濃度を正確に測定することが出来ることとなったのであり、また、連続的に応答性が良く、且つ長時間正確に測定可能と為し得たのであり、更には、オイル燃焼物による影響もなく、空燃比が燃料過多領域から空気過剰の領域まで、広い範囲の燃焼ガスを被測定ガスとして、そこに含まれるNOx量を簡単に且つ正確に測定することが出来ることとなったのであり、そこに、産業上における極めて大きな意義を見出すことができる。   Therefore, according to the method and apparatus for measuring a predetermined gas component in the gas to be measured according to the present invention, the target gas is measured without being affected by the oxygen concentration in the gas to be measured or its change. It was possible to measure the concentration of the measured gas component accurately, and it was possible to measure continuously continuously with good response and accurate measurement for a long time. There is no influence by the object, and it is possible to easily and accurately measure the amount of NOx contained in a wide range of combustion gases from the excessive fuel area to the excessive air area as the measurement gas. It is possible to find very significant industrial significance.

以下、本発明を更に具体的に明らかにするために、被測定ガス成分としてNOxを対象とした、図面に示されるNOx測定の具体例を参照しつつ、本発明の構成について詳細に説明することとする。   Hereinafter, in order to clarify the present invention more specifically, the configuration of the present invention will be described in detail with reference to a specific example of NOx measurement shown in the drawings targeting NOx as a gas component to be measured. And

先ず、図1及び図2は、本発明に従う測定装置に係るNOxセンサの代表的な一例を明らかにしており、その中で、図1は、そのようなセンサの平面図であり、また図2は、図1におけるA−A断面での要部拡大説明図である。   First, FIGS. 1 and 2 clarify a typical example of a NOx sensor according to a measuring apparatus according to the present invention, in which FIG. 1 is a plan view of such a sensor, and FIG. These are the principal part expansion explanatory drawings in the AA cross section in FIG.

それらの図において、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、該センサ素子2は、図2より明らかな如く、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。なお、各固体電解質層4a〜4e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。また、この一体構造のセンサ素子2は、従来と同様にして、未焼成の固体電解質層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。   In these drawings, reference numeral 2 denotes a sensor element having an elongated plate-like body shape. As is apparent from FIG. 2, the sensor element 2 includes a plurality of dense and airtight oxygen ion conductive solids. A plate-shaped body having an integral structure is formed by laminating the electrolyte layers 4a, 4b, 4c, 4d, and 4e. Each of the solid electrolyte layers 4a to 4e is formed using a known oxygen ion conductive solid electrolyte material such as zirconia porcelain. In addition, the sensor element 2 having an integral structure is manufactured by integrally firing a laminate of unfired solid electrolyte layers in the same manner as in the past.

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及び第二の内部空所8が、素子先端側に該第二の内部空所8が位置するようにして別個に配設されていると共に、それら第一及び第二の内部空所6、8とは独立した形態において、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10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ている。なお、ここでは、第一、第二の内部空所6、8及び基準空気導入通路10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いる。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4aを貫通して設けられており、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、外部の被測定ガスを第一の内部空所6内に導くようになっている。更に、第一の内部空所6と第二の内部空所8との間に位置する固体電解質層4bを通って、それら二つの内部空所6、8を連通せしめる、第二の拡散律速手段たる第二の拡散律速通路14が設けられており、この第二の拡散律速通路14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8内に導き入れられるようになっている。   In the integrated sensor element 2, a first internal space 6 and a second internal space 8 each having a rectangular planar shape are provided on the tip side of the element, and the second internal space 8. And a reference air introduction passage 10 serving as a reference gas existence space in a form independent of the first and second internal cavities 6, 8. The reference air introduction passage 10 is opened at the end of the sensor element 2 on the base side and communicated with the atmosphere. Here, in the first and second internal cavities 6 and 8 and the reference air introduction passage 10, the corresponding vacant spaces formed in the solid electrolyte layer 4b are covered with the upper and lower solid electrolyte layers 4a and 4c. By this, it is formed in a state that is located on substantially the same plane. Further, a first diffusion rate controlling passage 12 as a first diffusion rate controlling means for communicating the first inner space 6 with the external space to be measured gas is provided through the solid electrolyte layer 4a. An external measurement gas is guided into the first internal space 6 through the first diffusion-controlling passage 12 under a predetermined diffusion resistance. Furthermore, a second diffusion rate controlling means for communicating the two internal cavities 6 and 8 through the solid electrolyte layer 4b located between the first internal cavities 6 and the second internal cavities 8. A second diffusion-controlled passage 14 is provided, and the atmosphere in the first internal space 6 is passed through the second diffusion-controlled passage 14 under the predetermined diffusion resistance. 8 can be introduced.

また、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Pt電極から成る内側電極(ポンプ電極)16が設けられ、更に該内側電極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Pt電極から成る外側電極(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、第一の酸素ポンプ手段における電気化学的セル、即ち第一の電気化学的ポンプセルが構成されている。従って、かかる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、所定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たり、或いは、それとは逆に、外部の被測定ガス存在空間から酸素を第一の内部空所6内に汲み入れたりするようになっているのである。なお、ここでは、多孔質Pt電極は、電極金属としてのPtとセラミックスとしてのZrO2 とからなるサーメット電極にて構成されている。 In addition, an inner electrode (pump electrode) 16 made of a rectangular porous Pt electrode is provided in contact with the exposed portion of the solid electrolyte layer 4a in the first inner space 6, and further the inner electrode. 16 is provided with an outer electrode (pump electrode) 18 made of a porous Pt electrode having the same rectangular shape so as to be in contact with the outer surface portion of the solid electrolyte layer 4a corresponding to the electrode 16. The electrolyte layer 4a constitutes an electrochemical cell in the first oxygen pump means, that is, a first electrochemical pump cell. Accordingly, a desired voltage is applied between the two electrodes 16 and 18 of the first electrochemical pump cell by the external variable power source 20, and a current flows in a predetermined direction, whereby the first internal space is provided. The oxygen in the atmosphere in 6 is pumped into the external space to be measured gas, or, conversely, oxygen is pumped into the first internal space 6 from the external space to be measured gas. It has become. Here, the porous Pt electrode is composed of a cermet electrode made of Pt as an electrode metal and ZrO 2 as a ceramic.

さらに、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、矩形形状の多孔質Pt電極から成る測定電極22が設けられている一方、該固体電解質層4cの基準空気導入通路10内に露呈する部分には、それに接して、同様な多孔質Pt電極から成る基準電極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、よく知られているように、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、かかる第一の内部空所6内の雰囲気中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内の雰囲気中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、以て第一の内部空所6内の雰囲気中の酸素分圧が一定の値に保持され得るようになっているのである。   Further, a portion of the solid electrolyte layer 4c exposed in the first internal space 6 is provided with a measurement electrode 22 made of a rectangular porous Pt electrode in contact therewith, while the solid electrolyte layer 4c A reference electrode 24 made of a similar porous Pt electrode is provided in contact with the portion exposed in the reference air introduction passage 10, and includes the measurement electrode 22, the reference electrode 24, and the solid electrolyte layer 4 c. An electrochemical cell as an oxygen partial pressure detecting means, that is, an electrochemical sensor cell is constructed, and as is well known, the atmosphere in the first internal space 6 and the reference air in the reference air introduction passage 10 are known. The electromotive force generated between the measurement electrode 22 and the reference electrode 24 is measured by a potentiometer 26 based on the oxygen concentration difference between the first internal space 6 and the first internal space 6. The oxygen partial pressure of It is adapted to be. Based on the value of the oxygen partial pressure in the atmosphere in the first internal space 6 detected by the potentiometer 26, the voltage of the variable power source 20 is controlled, so that the first internal space 6 The oxygen partial pressure in the inner atmosphere can be maintained at a constant value.

更にまた、第二の内部空所8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、矩形形状の内部ポンプ電極(第一のポンプ電極)28が設けられている。この内部ポンプ電極28は、NOxを還元し得る金属たるRhとセラミックスとしてのジルコニアとから成る多孔質サーメットにて構成され、これによって第二の内部空所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、基準空気導入通路10内に配置された基準電極(第二のポンプ電極)24との間に定電圧電源30より一定電圧が印加せしめられることによって、第二の内部空所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、基準電極24は、ポンプ電極の一つとしても機能し、この基準電極24と内部ポンプ電極28と固体電解質層4cとにより、第二の酸素ポンプ手段を与える電気化学的セル、即ち第二の電気化学的ポンプセルを構成しているのである。そして、この電気化学的ポンプセル、換言すれば第二の酸素ポンプ手段のポンプ作動によって流れるポンプ電流は、電流計32によって検出されるようになっている。なお、前記した定電圧電源30は、第二の拡散律速通路14による制限されたNOx流入下において、第二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せしめ得るようになっている。   Furthermore, a rectangular internal pump electrode (first pump electrode) 28 is provided on and in contact with the solid electrolyte layer 4 c so as to be located in the second internal space 8. The internal pump electrode 28 is composed of a porous cermet made of Rh, which is a metal capable of reducing NOx, and zirconia as a ceramic, thereby reducing NOx present in the atmosphere in the second internal space 8. While functioning as a possible NOx reduction catalyst, a constant voltage is applied from the constant voltage power source 30 to the reference electrode (second pump electrode) 24 disposed in the reference air introduction passage 10, whereby the second The oxygen in the atmosphere in the internal space 8 is pumped into the reference air introduction passage 10. Therefore, the reference electrode 24 also functions as one of the pump electrodes. The reference electrode 24, the internal pump electrode 28, and the solid electrolyte layer 4c serve as an electrochemical cell that provides a second oxygen pump means, that is, the second electrode. This is an electrochemical pump cell. The pump current flowing by the pump operation of this electrochemical pump cell, in other words, the second oxygen pump means, is detected by the ammeter 32. The constant voltage power source 30 described above has a limit current against the pumping of oxygen generated at the time of NOx decomposition in the second electrochemical pump cell under the limited NOx inflow by the second diffusion rate limiting passage 14. A voltage of a given magnitude can be applied.

なお、センサ素子2内には、固体電解質層4c、4eに挟まれ且つ固体電解質層4dにて三方が囲まれた形態において、アルミナ絶縁層34が一体的に積層されており、そして、このアルミナ絶縁層34内に、外部からの給電によって発熱せしめられるヒータ36が埋設されている。このヒータ36は、図2に示される如く、センサ素子2の先端側に位置する第二の内部空所8側に偏倚して配設されており、第一の内部空所6よりも該第二の内部空所8がより高温に、換言すれば内側電極16や測定電極22よりも、内部ポンプ電極28の方がより高温に加熱せしめられるようになっている。例えば、被測定ガスのガス温度が300℃〜850℃の間で変化するとき、第一の内部空所6内の内側電極16や測定電極22が、400℃〜600℃に、また第二の内部空所8内の内部ポンプ電極28が、700℃〜900℃に加熱せしめられるように、ヒータ36が配置されているのである。   In the sensor element 2, an alumina insulating layer 34 is integrally laminated in a form sandwiched between the solid electrolyte layers 4c and 4e and surrounded on three sides by the solid electrolyte layer 4d. A heater 36 is embedded in the insulating layer 34 to generate heat by external power feeding. As shown in FIG. 2, the heater 36 is disposed so as to be biased toward the second internal space 8 located on the front end side of the sensor element 2. The second internal space 8 is heated to a higher temperature, in other words, the internal pump electrode 28 is heated to a higher temperature than the inner electrode 16 and the measurement electrode 22. For example, when the gas temperature of the gas to be measured changes between 300 ° C. and 850 ° C., the inner electrode 16 and the measurement electrode 22 in the first internal space 6 are changed to 400 ° C. to 600 ° C. The heater 36 is arranged so that the internal pump electrode 28 in the internal space 8 is heated to 700 ° C. to 900 ° C.

そして、このような構成のセンサ素子2においては、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、かかる第一の内部空所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、例えば10-6atmに制御される。 In the sensor element 2 having such a configuration, the tip end side is disposed in the measured gas existence space, whereby the measured gas is supplied to the first diffusion rate limiting device provided in the sensor element 2. Through the passage 12, it is led into the first internal cavity 6 under a predetermined diffusion resistance. Then, the gas to be measured introduced into the first internal space 6 is caused by applying a predetermined voltage between the two electrodes 16 and 18 constituting the first electrochemical pump cell. Due to the pumping action of oxygen, the oxygen partial pressure is controlled to a predetermined value, for example, 10 −6 atm.

ところで、かかる第一の内部空所6内の雰囲気中の酸素分圧を所定の一定値に保つには、前述せるように、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、それが例えば203mV(500℃)になるように、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(可変電源20)を制御する手法が採用され、これによって、目的とする10-6atmの酸素分圧に容易に制御することが出来るのである。即ち、第一の内部空所6における所望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のである。なお、第一の拡散律速通路12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、かかる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。 By the way, in order to keep the oxygen partial pressure in the atmosphere in the first internal space 6 at a predetermined constant value, as described above, in the electrochemical sensor cell, based on the well-known Nernst equation. The electromotive force between the measurement electrode 22 and the reference electrode 24 is measured by a potentiometer 26, and is set to, for example, 203 mV (500 ° C.) between the two electrodes 16 and 18 of the first electrochemical pump cell. A method of controlling the voltage (variable power supply 20) applied to the capacitor is adopted, and this makes it possible to easily control the target oxygen partial pressure of 10 −6 atm. That is, the voltage of the first electrochemical pump cell may be controlled so that an electromotive force corresponding to the difference between the desired oxygen concentration in the first internal space 6 and the oxygen concentration of the reference air is obtained. The first diffusion control passage 12 narrows down the amount of oxygen in the gas to be measured that diffuses and flows into the measurement space (first internal space 6) when a voltage is applied to the first electrochemical pump cell. The first electrochemical pump cell functions to suppress the current flowing through the first electrochemical pump cell.

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、更にはヒータ36による加熱環境下においても、内側電極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、形成されているのである。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、第二の内部空所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、該第一の内部空所6内においてNOxの還元に関与する成分(少なくとも第一の電気化学的ポンプセルの内側電極16の成分)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。 Further, in the first internal space 6, the oxygen content in which NOx in the atmosphere is not reduced by the inner electrode 16 and the measurement electrode 22 even in the heating environment by the gas to be measured outside, and also in the heating environment by the heater 36. A state under pressure, for example, a state under oxygen partial pressure in which the reaction of NO → 1 / 2N 2 + 1 / 2O 2 does not occur is formed. However, if NOx in the gas to be measured (atmosphere) is reduced in the first internal space 6, it is impossible to accurately measure NOx in the second internal space 8. In the first internal space 6, it is necessary to form a situation in which NOx cannot be reduced by the components involved in the reduction of NOx (at least the components of the inner electrode 16 of the first electrochemical pump cell). It is.

このようにして、第一の内部空所6内において酸素分圧が制御された被測定ガスは、第二の拡散律速通路14を通って、所定の拡散抵抗の下に、第二の内部空所8内に導かれることとなる。そして、第二の内部空所8内に導き入れられた被測定ガスは、第二の電気化学的ポンプセルを構成する内部ポンプ電極28と基準電極24との間に、酸素が第二の内部空所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、例えば449mV(700℃)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、これにより第二の内部空所8においては、特に内部ポンプ電極28の三相界面において、更に酸素濃度が低下し、酸素濃度は10-10 atmとなり、NOx還元触媒としても機能する該内部ポンプ電極28の回りにおいて、NOxが還元される状態、例えばNO→1/2N2 +1/2O2 の反応が惹起される状況下に制御されるのである。この時、第二の電気化学的ポンプセルに流れる電流は、第二の内部空所8に導かれる雰囲気中の酸素濃度、即ち第一の内部空所6内の雰囲気中の酸素濃度と、内部ポンプ電極28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、該第一の内部空所6内の雰囲気中の酸素濃度は一定に制御されているところから、かかる第二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、第二の拡散律速通路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のである。 In this way, the gas to be measured whose oxygen partial pressure is controlled in the first internal space 6 passes through the second diffusion-controlling passage 14 and passes through the second internal space under a predetermined diffusion resistance. It will be led into the place 8. Then, the gas to be measured introduced into the second internal space 8 has oxygen between the internal pump electrode 28 and the reference electrode 24 constituting the second electrochemical pump cell. A predetermined voltage, for example, 449 mV (700 ° C.) is applied in a direction to be pumped from the site 8 to the reference air introduction passage 10 side, thereby receiving an oxygen pumping action. In particular, at the three-phase interface of the internal pump electrode 28, the oxygen concentration further decreases, the oxygen concentration becomes 10 −10 atm, and NOx is reduced around the internal pump electrode 28 that also functions as a NOx reduction catalyst. It is controlled in a state where, for example, a reaction of NO → 1 / 2N 2 + 1 / 2O 2 is induced. At this time, the current flowing through the second electrochemical pump cell is determined by the oxygen concentration in the atmosphere guided to the second internal space 8, that is, the oxygen concentration in the atmosphere in the first internal space 6, and the internal pump. The value is proportional to the sum of the oxygen concentration generated by reducing NOx at the electrode 28, but the oxygen concentration in the atmosphere in the first internal space 6 is controlled to be constant. The current flowing through the second electrochemical pump cell is proportional to the NOx concentration. The NOx concentration corresponds to the amount of NOx diffusion limited in the second diffusion rate limiting passage 14, and thus the NOx concentration can be measured.

例えば、第一の内部空所6内の雰囲気中の酸素濃度が0.02ppmで、被測定ガスのNO濃度が100ppmとすると、NOが還元されて発生する酸素濃度50ppmと第一の内部空所6内の雰囲気中の酸素濃度0.02ppmとの和:50.02ppmに相当する電流が流れることになるのであり、従って第二の電気化学的ポンプセルにおけるポンプ電流値は殆どがNOが還元された量を表し、それ故に被測定ガス中の酸素濃度に依存することもないのである。   For example, if the oxygen concentration in the atmosphere in the first internal space 6 is 0.02 ppm and the NO concentration of the gas to be measured is 100 ppm, the oxygen concentration generated by reduction of NO is 50 ppm and the first internal space. 6 and the oxygen concentration in the atmosphere in the atmosphere of 0.02 ppm: A current corresponding to 50.02 ppm flows, and therefore, the pump current value in the second electrochemical pump cell was almost reduced in NO. It represents the quantity and therefore does not depend on the oxygen concentration in the gas to be measured.

ここで、本発明の原理を、図24を参照しつつ、更に詳しく説明する。この図24において、被測定ガスは、第一の拡散律速通路12を介して、第一の内部空所6に導入され、該第一の内部空所6内の酸素分圧は酸素濃度制御手段たる第一の電気化学的ポンプセル56によりNOxが還元されない所定の、望ましくは低い値に制御される。そして、その酸素分圧が制御された第一の内部空所6内の雰囲気は、該第一の内部空所6に第二の拡散律速通路14を介して連通する第二の内部空所8に導かれ、該第二の内部空所8においてNOxが還元され、その際生成する酸素を第二の電気化学的ポンプセル58を用いてガス拡散律速条件下で該第二の内部空所8中より汲み出し、該第二の電気化学的ポンプセル58に流れる電流値により、被測定ガス中のNOx量が測定される。   Here, the principle of the present invention will be described in more detail with reference to FIG. In FIG. 24, the gas to be measured is introduced into the first internal space 6 via the first diffusion-controlled passage 12, and the oxygen partial pressure in the first internal space 6 is the oxygen concentration control means. The first electrochemical pump cell 56 is controlled to a predetermined, desirably low value, where NOx is not reduced. The atmosphere in the first internal space 6 in which the oxygen partial pressure is controlled is communicated with the first internal space 6 via the second diffusion-controlled passage 14. NOx is reduced in the second internal space 8 and oxygen produced in the second internal space 8 is circulated in the second internal space 8 using a second electrochemical pump cell 58 under gas diffusion-controlled conditions. Further, the amount of NOx in the gas to be measured is measured based on the value of the current flowing through the second electrochemical pump cell 58.

この方法では、NOx濃度:Cnは、Cn=K・Ip3 −Aで求められる。但し、Kは感度係数、Ip3 は第二の電気化学的ポンプセル58に流れる電流値、Aは第一の内部空所6に残留する少量の酸素に起因する定数である。ここで、Ip3 は、その大部分が被測定ガス中のNOx成分が分解して生成した酸素によるものであり、従来の方法に比べ、被測定ガス中の酸素による影響を排除した状態で、微量のNOxまで精度良く測定出来るものである。なお、内部空所に曝される電極に対向して設けられた外側の電極は酸素を放出出来る状態にあれば良く、例えば空気中であっても良い。 In this method, the NOx concentration: Cn is obtained by Cn = K · Ip 3 −A. However, K is a sensitivity coefficient, Ip 3 is a current value flowing through the second electrochemical pump cell 58, and A is a constant caused by a small amount of oxygen remaining in the first internal space 6. Here, Ip 3 is mostly due to oxygen generated by decomposition of the NOx component in the gas to be measured, and in a state in which the influence of oxygen in the gas to be measured is excluded compared to the conventional method, It can accurately measure even a very small amount of NOx. The outer electrode provided opposite to the electrode exposed to the internal space may be in a state where oxygen can be released, and may be, for example, in the air.

ところで、図3は、各内部空所における電極加熱温度と酸素分圧の制御に係る第一の具体例を示しており、またそこでは、1400℃の温度で、ZrO2 基板と共に同時焼成された、ZrO2 とPtの体積比が40:60のサーメット状のPt電極と、ZrO2 とRhの体積比が40:60のサーメット状のRh電極について、それら電極の酸素分圧と温度に対するNOの還元性が示されている。この図3より明らかなように、Pt電極は、高温度、低酸素分圧下でないと、還元性が発現しないのに対して、Rh電極は、低温度、高酸素分圧下で還元作用が発現することが理解される。 Incidentally, FIG. 3 shows a first specific example relating to the control of the electrode heating temperature and the oxygen partial pressure in each internal space, where it was co-fired with a ZrO 2 substrate at a temperature of 1400 ° C. The cermet-shaped Pt electrode having a volume ratio of ZrO 2 and Pt of 40:60 and the cermet-shaped Rh electrode having a volume ratio of ZrO 2 and Rh of 40:60 Reducibility is shown. As is clear from FIG. 3, the Pt electrode does not exhibit reducing properties unless it is under high temperature and low oxygen partial pressure, whereas the Rh electrode exhibits reducing action under low temperature and high oxygen partial pressure. It is understood.

本発明は、上述のような性質を利用するものであって、第一の内部空所6内の酸素濃度と、温度、具体的には第一の内部空所6内に配置されるPt電極(内側電極16及び測定電極22)、即ち第一の電極の温度とは、かかる第一の電極にてNOが還元されない領域に制御、設定される。例えば、図示の如く、第一の内部空所6内の酸素分圧を10-6atmに設定したときは、被測定ガスのガス温度が900℃(自動車の排気ガス温度の略最高温度)になっても、第一の内部空所6内の温度が650℃以下になるように、ヒータ36の配置や電力が設定されるのである。そして、この酸素分圧が10-6atmに制御された被測定ガスは、第二の拡散律速通路14を通過して、第二の内部空所8内に入るが、この第二の内部空所8内では、内部ポンプ電極28と基準電極24との間に450mVの電圧が印加され、第二の内部空所8から基準空気導入通路10内へ酸素が汲み出され、かかる内部ポンプ電極28の三相界面の酸素分圧は、略10-10 atm(内部ポンプ電極28と基準電極24との間の起電力が450mVに相当)に設定される。而して、図3に示されている如く、内部ポンプ電極28であるRh電極、即ち第二の電極は、10-10 atmでの酸素分圧下では、410℃以上でNOを還元することが出来、また第二の内部空所8、具体的には第二の電極たる内部ポンプ電極28の温度は、被測定ガスのガス温度が300℃(自動車の排気ガス温度の略最低温度)であるときにも、410℃以上となるように、ヒータ36の配置や電力が設定されている。かくして、第二の電極たる内部ポンプ電極28の三相界面では、NOが還元され、そして、その還元による酸素の発生により電流が流れ、その電流値がNOの濃度に比例することとなるのである。 The present invention utilizes the above-described properties, and the oxygen concentration and temperature in the first internal space 6, specifically, the Pt electrode disposed in the first internal space 6. The temperature of the (inner electrode 16 and measurement electrode 22), that is, the temperature of the first electrode is controlled and set in a region where NO is not reduced by the first electrode. For example, as shown in the figure, when the oxygen partial pressure in the first internal space 6 is set to 10 −6 atm, the gas temperature of the gas to be measured is set to 900 ° C. (substantially the highest exhaust gas temperature of the automobile). Even so, the arrangement and electric power of the heater 36 are set so that the temperature in the first internal space 6 is 650 ° C. or lower. Then, the gas to be measured whose oxygen partial pressure is controlled to 10 −6 atm passes through the second diffusion-controlling passage 14 and enters the second internal space 8. In the place 8, a voltage of 450 mV is applied between the internal pump electrode 28 and the reference electrode 24, and oxygen is pumped from the second internal space 8 into the reference air introduction passage 10, and the internal pump electrode 28. The oxygen partial pressure at the three-phase interface is set to approximately 10 −10 atm (the electromotive force between the internal pump electrode 28 and the reference electrode 24 corresponds to 450 mV). Thus, as shown in FIG. 3, the Rh electrode as the internal pump electrode 28, that is, the second electrode, can reduce NO at 410 ° C. or higher under an oxygen partial pressure of 10 −10 atm. The temperature of the second internal space 8, specifically, the internal pump electrode 28 as the second electrode, is such that the gas temperature of the gas to be measured is 300 ° C. (approximately the lowest temperature of the exhaust gas temperature of the automobile). Sometimes, the arrangement and electric power of the heater 36 are set so as to be 410 ° C. or higher. Thus, NO is reduced at the three-phase interface of the internal pump electrode 28 as the second electrode, and current flows due to the generation of oxygen due to the reduction, and the current value is proportional to the concentration of NO. .

つまり、上記した第一の具体例においては、第一の内部空所6内の酸素分圧が10-6atmに、また第二の内部空所8、特に内部ポンプ電極28(第二の電極)の三相界面の酸素分圧が10-10 atmに制御されるようになっていると共に、第一の内部空所6内に設けられた内側電極16、測定電極22と第二の内部空所8内に設けられた内部ポンプ電極28の温度が、自動車の排気ガス温度の全変化幅、例えば300℃〜900℃の範囲において、内側電極16や測定電極22は650℃以下に、内部ポンプ電極28は410℃以上となるように、ヒータ36の配置やその電力が設定されているのである。 That is, in the first specific example described above, the oxygen partial pressure in the first internal space 6 is 10 −6 atm, and the second internal space 8, particularly the internal pump electrode 28 (second electrode). ) Is controlled to 10 −10 atm, and the inner electrode 16, the measurement electrode 22, and the second inner space provided in the first inner space 6 are controlled. When the temperature of the internal pump electrode 28 provided in the station 8 is within the range of the total change in the exhaust gas temperature of the automobile, for example, in the range of 300 ° C. to 900 ° C., the inner electrode 16 and the measuring electrode 22 The arrangement and power of the heater 36 are set so that the electrode 28 has a temperature of 410 ° C. or higher.

なお、センサ素子2の温度は、ヒータ36の電力を被測定ガスの温度、例えば排気ガス温度に応じて制御することにより、目的とする温度に設定することも出来るが、一般的に素子温度は、排気ガスに晒される素子先端側から他端側に向かって低くなるところから、ヒータ36を素子先端側に寄せて配置すると、先端側がより高温になりやすく、それ故に内部ポンプ電極28の配置される第二の内部空所8を素子先端側に、内側電極16や測定電極22の配置される第一の内部空所6を素子先端から離して配置するようにすれば、ヒータ電力を制御することなく、所定の電圧を印加するのみで、容易に上述の如き温度設定を行なうことが出来る。   The temperature of the sensor element 2 can be set to a target temperature by controlling the electric power of the heater 36 in accordance with the temperature of the gas to be measured, for example, the exhaust gas temperature. When the heater 36 is arranged close to the element tip side from the lower side of the element exposed to the exhaust gas toward the other end side, the tip side tends to become higher temperature, and therefore the internal pump electrode 28 is arranged. The heater power can be controlled by arranging the second internal space 8 on the tip side of the element and the first internal space 6 on which the inner electrode 16 and the measurement electrode 22 are disposed away from the tip of the element. The above temperature setting can be easily performed only by applying a predetermined voltage.

さらに、図4には、センサ素子におけるヒータの配置の設定を説明する具体例が明らかにされている。即ち、図4においては、幅:4.2mm、厚み:1.3mm、長さ:62mmのZrO2 固体電解質の基体中に、発熱部の大きさが幅:3.6mm、長さ:5mmであり、常温抵抗:8Ωである白金ヒータを、素子先端から1mm〜6mmの位置に埋め込んでなるセンサを、自動車の排気管に取り付け、その白金ヒータに12Vの電圧を印加して、300℃と900℃の排気ガスに晒した時のセンサ素子の先端からの位置と温度が示されている。 Further, FIG. 4 clarifies a specific example for explaining the setting of the heater arrangement in the sensor element. That is, in FIG. 4, in the ZrO 2 solid electrolyte substrate having a width of 4.2 mm, a thickness of 1.3 mm, and a length of 62 mm, the size of the heat generating part is a width of 3.6 mm and a length of 5 mm. Yes, a normal temperature resistance: 8Ω of a platinum heater embedded in a position 1 to 6 mm from the tip of the element is attached to the exhaust pipe of an automobile, a voltage of 12 V is applied to the platinum heater, and 300 ° C. and 900 ° C. The position and temperature from the tip of the sensor element when exposed to an exhaust gas at 0 ° C. are shown.

この図4から明らかなように、排気ガスの最高温度:900℃で、センサ素子の650℃以下となる位置は、素子先端から5.2mm以上の位置であり、この領域に、第一の電極(内側電極16、測定電極22)を配置する一方、最低ガス温度の300℃で410℃以上となる位置は0〜6.2mmの位置であるところから、この領域に、第二の電極(内部ポンプ電極28)を配置すれば、図3に示される如き温度設定の可能な本発明に従うNOxセンサを実現することが出来るのである。なお、このようなセンサ素子への温度分布の設定は、ヒータの電力(抵抗値)、大きさ(長さ)、配設位置を適宜に選択することにより、任意に行うことが出来る。   As is clear from FIG. 4, the maximum temperature of exhaust gas: 900 ° C., and the position where the sensor element is 650 ° C. or less is a position of 5.2 mm or more from the tip of the element. (Inner electrode 16 and measurement electrode 22) are arranged, and the position where the minimum gas temperature is 300 ° C. and 410 ° C. or higher is the position of 0 to 6.2 mm. If the pump electrode 28) is arranged, a NOx sensor according to the present invention capable of setting the temperature as shown in FIG. 3 can be realized. The temperature distribution to the sensor element can be arbitrarily set by appropriately selecting the heater power (resistance value), size (length), and arrangement position.

そして、図5には、上述したNOxセンサにおけるNO濃度とポンプ電流値(拡散限界電流値:Ip)の関係が示されており、そこでは、NO濃度の変化に対し、ポンプ電流値(Ip)は直線的に変化している。従って、かかるIp値を測定することにより、簡単に、NO濃度を知ることが出来るのである。この場合、NO=0ppmの時のIp値は0.03μAであり、それは、第一の内部空所6内の雰囲気中の酸素濃度:10-6atmと第二の内部空所8内の雰囲気、即ち内部ポンプ電極28の三相界面の酸素濃度:10-10 atmとの差に相当する酸素を汲み出すに必要なポンプ電流である。このポンプ電流は、感度:30μA/2000ppm=0.015μA/ppmを考慮すると、数十ppmの濃度測定には、支障となるものではないものの、数ppmのNO濃度測定には、誤差要因として問題となる虞がある。このため、かかるポンプ電流値は、0に限りなく近いことが好ましく、そしてそのようなポンプ電流値は、第一の内部空所6内の雰囲気中の酸素分圧を、NOxが実質的に還元され得ない状況下において、可及的に下げるか、或いは第一の内部空所6内の雰囲気中の酸素分圧と第二の内部空所8内の雰囲気中の酸素分圧、即ち内部ポンプ電極28における三相界面の酸素分圧とが等しくされることにより、実現されるのである。 FIG. 5 shows the relationship between the NO concentration and the pump current value (diffusion limit current value: Ip) in the NOx sensor described above, where the pump current value (Ip) with respect to the change in NO concentration. Is changing linearly. Therefore, the NO concentration can be easily known by measuring the Ip value. In this case, the Ip value when NO = 0 ppm is 0.03 μA, which means that the oxygen concentration in the atmosphere in the first internal space 6 is 10 −6 atm and the atmosphere in the second internal space 8. That is, this is the pump current necessary for pumping out oxygen corresponding to the difference between the oxygen concentration at the three-phase interface of the internal pump electrode 28 and 10 −10 atm. In consideration of sensitivity: 30 μA / 2000 ppm = 0.015 μA / ppm, this pump current is not an obstacle to concentration measurement of several tens of ppm, but it is a problem as an error factor in measuring NO concentration of several ppm. There is a risk of becoming. For this reason, such a pump current value is preferably close to zero as much as possible, and such a pump current value reduces the oxygen partial pressure in the atmosphere in the first internal space 6 substantially by NOx. In a situation where it cannot be performed, the oxygen partial pressure in the atmosphere in the first internal space 6 and the oxygen partial pressure in the atmosphere in the second internal space 8, that is, the internal pump, are reduced as much as possible. This is realized by making the oxygen partial pressure of the three-phase interface in the electrode 28 equal.

また、図6には、二つの内部空所における酸素分圧の制御と、それら空所において加熱される各電極の温度の制御に係る第二の具体例が示されている。そこでは、第一の内部空所6内の酸素分圧と第二の内部空所8内の酸素分圧、即ち第二の電極たる内部ポンプ電極28の三相界面の酸素分圧が、共に、10-8atmに設定されている。そして、第一の電極(内側電極16及び測定電極22)は490℃以下に、第二の電極(内部ポンプ電極28)は430℃以上になるように、ヒータ36が設定されているのである。 FIG. 6 shows a second specific example relating to the control of the oxygen partial pressure in the two internal spaces and the control of the temperature of each electrode heated in these spaces. There, both the oxygen partial pressure in the first internal space 6 and the oxygen partial pressure in the second internal space 8, that is, the oxygen partial pressure at the three-phase interface of the internal pump electrode 28 as the second electrode, 10 −8 atm. The heater 36 is set so that the first electrode (inner electrode 16 and measurement electrode 22) is 490 ° C. or lower and the second electrode (internal pump electrode 28) is 430 ° C. or higher.

このように制御されたNOxセンサにおけるNO濃度とポンプ電流(Ip)との関係が、図7に示されている。ここでは、第一の内部空所6内の酸素分圧と第二の内部空所8内における第二の電極(内部ポンプ電極28)の三相界面の酸素分圧とが同じ値に設定してあるところから、NO=0ppmのときのIp値は、0μAとなっているのである。   The relationship between the NO concentration and the pump current (Ip) in the NOx sensor controlled in this way is shown in FIG. Here, the oxygen partial pressure in the first internal space 6 and the oxygen partial pressure at the three-phase interface of the second electrode (internal pump electrode 28) in the second internal space 8 are set to the same value. Therefore, the Ip value when NO = 0 ppm is 0 μA.

また、図8には、酸素分圧及び電極加熱温度の制御に係る第三の具体例が示されており、そこでは、第一の電極(内側電極16、測定電極22)と第二の電極(内部ポンプ電極28)とが、共に、Pt電極にて構成されており、また第一の内部空所6内の酸素分圧と第二の内部空所8における第二の電極(内部ポンプ電極28)の三相界面の酸素分圧とが、共に、10-6atmに設定されている。そして、かかる第一の電極は650℃未満に、また第二の電極は650℃以上となるように、ヒータ36が設定されているのである。 FIG. 8 shows a third specific example relating to the control of the oxygen partial pressure and the electrode heating temperature, in which the first electrode (inner electrode 16, measurement electrode 22) and the second electrode are shown. (Internal pump electrode 28) are both Pt electrodes, and the oxygen partial pressure in the first internal space 6 and the second electrode (internal pump electrode in the second internal space 8). 28) The oxygen partial pressure at the three-phase interface is set to 10 −6 atm. The heater 36 is set so that the first electrode has a temperature lower than 650 ° C. and the second electrode has a temperature higher than 650 ° C.

さらに、図9には、酸素分圧と電極加熱温度の制御に係る第四の具体例が示されており、そこでは、第一の電極(内側電極16、測定電極22)と第二の電極(内部ポンプ電極28)とが、共に、Pt電極にて構成され、且つ前記第一の内部空所6内の酸素分圧が10-6atmに、また第二の内部空所8内の酸素分圧、具体的には第二の電極(内部ポンプ電極28)の三相界面の酸素分圧が10-10atmに、それぞれ設定されている。そして、第一の電極が650℃以下に、また第二の電極は430℃以上となるように、ヒータ36が設定されているのである。 Further, FIG. 9 shows a fourth specific example relating to the control of the oxygen partial pressure and the electrode heating temperature, in which the first electrode (inner electrode 16, measurement electrode 22) and the second electrode are shown. (Internal pump electrode 28) are both Pt electrodes, and the oxygen partial pressure in the first internal space 6 is 10 −6 atm, and the oxygen in the second internal space 8 is The partial pressure, specifically, the oxygen partial pressure at the three-phase interface of the second electrode (internal pump electrode 28) is set to 10 −10 atm. The heater 36 is set so that the first electrode is 650 ° C. or lower and the second electrode is 430 ° C. or higher.

この第四の具体例の場合において、NO=0ppmの時は、前述の如く、ポンプ電流が流れることとなるが、その値は、第一の内部空所6内の酸素分圧と第二の内部空所8、即ち第二の電極の三相界面の酸素分圧とを一定にしておけば、一定値となるところから、校正することは容易である。なお、この第四の具体例に係るNOxセンサにおけるNO濃度とポンプ電流との関係が、図10に示されている。   In the case of the fourth specific example, when NO = 0 ppm, the pump current flows as described above, and the value thereof is the oxygen partial pressure in the first internal space 6 and the second partial pressure. If the internal space 8, that is, the oxygen partial pressure at the three-phase interface of the second electrode is made constant, it is easy to calibrate from a constant value. FIG. 10 shows the relationship between the NO concentration and the pump current in the NOx sensor according to the fourth specific example.

このように、本発明の上述した具体例にあっては、被測定ガスを第一の内部空所内に導き、該第一の内部空所にて、NOxが還元されない酸素分圧と温度を設定しつつ、第一の電気化学的ポンプセルの酸素ポンピング作動により、被測定ガス中の酸素濃度を一定値に制御する一方、該第一の内部空所内の一定の酸素濃度の被測定ガスを第二の内部空所内に導き、該第二の内部空所に配置されたNOx還元触媒(内部ポンプ電極=第一のポンプ電極)の三相界面でNOxが還元される温度と酸素濃度を設定し、第二の電気化学的ポンプセルを酸素ポンピング作動せしめ、そして該第二の電気化学的ポンプセルにおけるNOx濃度に比例したポンプ電流を測定しているので、被測定ガス中の酸素濃度に影響を受けることなく、NOxを効果的に測定することができることとなったのである。   Thus, in the above-described specific example of the present invention, the gas to be measured is guided into the first internal space, and the oxygen partial pressure and temperature at which NOx is not reduced are set in the first internal space. However, the oxygen pumping operation of the first electrochemical pump cell controls the oxygen concentration in the gas to be measured to a constant value, while the gas to be measured having a constant oxygen concentration in the first internal space is controlled to a second value. The temperature and oxygen concentration at which NOx is reduced at the three-phase interface of the NOx reduction catalyst (internal pump electrode = first pump electrode) disposed in the second internal space, Since the second electrochemical pump cell is operated with oxygen pumping and the pump current proportional to the NOx concentration in the second electrochemical pump cell is measured, it is not affected by the oxygen concentration in the gas to be measured. Effectively measures NOx Than it has become to be able to.

また、本発明に従う測定装置たる上述のNOxセンサにあっては、第一の拡散律速通路(手段)の後方に第一の内部空所、更にその後方に、第二の拡散律速通路(手段)を配置しているところから、オイル燃焼物による目詰まりが該第一の拡散律速通路に発生しても、第二の拡散律速通路には、目詰まりが発生し難いのである。そして、第一の拡散律速通路の拡散抵抗:D1と第二の拡散律速通路の拡散抵抗:D2の関係を、目詰まりによる拡散抵抗の変化分αを考慮して、D1+α≪D2の関係に設定しておけば、目詰まりによるNOx測定値には、影響がなくなるのである。つまり、このように設定しておけば、第一の拡散律速通路に目詰まりが生じても、第一の内部空所内の酸素濃度を一定に保つためのポンプ電流が減少するのみで、NOxに対する実質的な拡散律速部は、第二の拡散律速通路であるために、測定値への影響が無いのである。   In the above-described NOx sensor as the measuring apparatus according to the present invention, the first internal space is located behind the first diffusion rate-limiting passage (means), and further, the second diffusion rate-limiting passage (means) is located behind the first internal space. Therefore, even if clogging due to oil combustion products occurs in the first diffusion-controlled passage, clogging is unlikely to occur in the second diffusion-controlled passage. Then, the relationship between the diffusion resistance D1 of the first diffusion-controlled passage and the diffusion resistance D2 of the second diffusion-controlled passage is set to a relationship of D1 + α << D2 in consideration of the diffusion resistance change α due to clogging. If this is done, the NOx measurement value due to clogging has no effect. That is, if set in this way, even if the first diffusion rate-limiting passage is clogged, the pump current for keeping the oxygen concentration in the first internal space constant is reduced, and the NOx is reduced. Since the substantial diffusion control part is the second diffusion control path, there is no influence on the measured value.

なお、上述した具体例では、第一の内部空所6内に配置される第一の電極(16、22)をPtのサーメット電極にて構成し、また第二の内部空所8内に配置される第二の電極(28)をRhのサーメット電極にて構成したり、或いは第一及び第二の電極を、共に、Ptのサーメット電極にて構成したりしているが、必ずしも、そのような電極構成に限定されるものではなく、例えば第一の電極にAu又はAuとPtの合金のサーメット電極を用い、第二の電極にRhサーメット電極を用いれば、Au/Ptサーメット電極の還元性は低下し、第一の内部空所内の酸素分圧の設定や温度設定の自由度が高まり、好ましい。また、そのような電極の電極金属としては、公知のものの中から適宜に選択することが出来るが、例えば第一及び第二の電極を、共に、Au電極とし、且つ該第二のAu電極上に、更に、Rh又はPt電極或いはアルミナ等のセラミックスの多孔質体に、NOx還元金属を担持せしめた触媒体を積層配置したり、第一及び第二の電極共に、Pt電極とする一方、該第二のPt電極上にRh触媒電極を配置したり、または第一及び第二の電極の温度のみに差をつけたりすること等も、可能である。   In the specific example described above, the first electrodes (16, 22) arranged in the first internal space 6 are constituted by Pt cermet electrodes, and are arranged in the second internal space 8. The second electrode (28) to be formed is composed of a cermet electrode of Rh, or both the first and second electrodes are composed of a cermet electrode of Pt. For example, if a cermet electrode made of Au or an alloy of Au and Pt is used for the first electrode and a Rh cermet electrode is used for the second electrode, the reducibility of the Au / Pt cermet electrode This is preferable because the oxygen partial pressure in the first internal space and the degree of freedom in setting the temperature are increased. In addition, the electrode metal of such an electrode can be appropriately selected from known ones. For example, both the first and second electrodes are Au electrodes, and the second Au electrode is formed on the second Au electrode. Further, a catalyst body in which a NOx reducing metal is supported is laminated on a porous body of a ceramic such as an Rh or Pt electrode or alumina, or both the first and second electrodes are made Pt electrodes, It is also possible to arrange an Rh catalyst electrode on the second Pt electrode, or to make a difference only in the temperature of the first and second electrodes.

何れにしても、それら第一及び第二の電極は、電極金属と適当なセラミックスから構成されるサーメット電極であることが望ましく、特に例示の如く、NOx還元触媒を兼ねる第二の電極を用いる場合にあっては、RhやPt等の公知のNOxを還元し得る金属とセラミックスとからなる、多孔質サーメット電極とされることが望ましい。また、NOx還元触媒は、第二の内部空所8内の酸素を汲み出すための第二の電気化学的ポンプセルにおける該第二の内部空所8内に配置される内部ポンプ電極28に近接して設けられたり、また図11に示されるように、Rh等からなるNOx還元触媒を担持した多孔質アルミナ等を第一のポンプ電極28上に印刷等で積層せしめて、NOx還元触媒42が層状に構成されたりしてもよい。更に、この図11において示される如きセンサ素子は、ヒータ36が第二の内部空所8側に配設されており、第一の内部空所6よりも第二の内部空所8が高温に加熱されるようになっているところから、NOx還元触媒42がより効果的に働くようになっているのである。   In any case, the first and second electrodes are preferably cermet electrodes composed of an electrode metal and appropriate ceramics. In particular, as shown in the case of using the second electrode that also serves as a NOx reduction catalyst. In this case, a porous cermet electrode made of a metal capable of reducing known NOx such as Rh or Pt and ceramics is desirable. In addition, the NOx reduction catalyst is close to the internal pump electrode 28 disposed in the second internal space 8 in the second electrochemical pump cell for pumping out oxygen in the second internal space 8. As shown in FIG. 11, porous alumina or the like carrying a NOx reduction catalyst made of Rh or the like is laminated on the first pump electrode 28 by printing or the like, so that the NOx reduction catalyst 42 is layered. It may be configured. Further, in the sensor element as shown in FIG. 11, the heater 36 is disposed on the second internal space 8 side, and the second internal space 8 has a higher temperature than the first internal space 6. From the point of being heated, the NOx reduction catalyst 42 works more effectively.

また、本発明においては、被測定ガスとして燃料過剰の排気ガスが対象とされる場合において、COやHC等の未燃成分の排出量が多量となり、NOxとの反応が測定誤差となるところから、例えば、図12に示されるように、第一の内部空所6内に多孔質アルミナ等からなる酸化触媒体38を充填して、該第一の内部空所6内において、被測定ガス中のCO、HC等の未燃成分を酸化させることが好ましい。この場合、第一の電気化学的ポンプセルの極性は、空気過剰の場合とは逆となり、被測定ガス雰囲気から酸素を第一の内部空所6内に取り込む方向となる。このように酸化触媒体38を第一の内部空所6内に配置することは、被測定ガスが空気過剰の雰囲気であっても、CO、HC等の還元性ガスによる影響をなくする上で有効である。   Further, in the present invention, when exhaust gas with excess fuel is targeted as the gas to be measured, the amount of emission of unburned components such as CO and HC becomes large, and the reaction with NOx causes a measurement error. For example, as shown in FIG. 12, the first internal space 6 is filled with an oxidation catalyst body 38 made of porous alumina or the like, and the first internal space 6 is filled with the gas to be measured. It is preferable to oxidize unburned components such as CO and HC. In this case, the polarity of the first electrochemical pump cell is opposite to that in the case of excess air, and the oxygen is taken into the first internal space 6 from the measured gas atmosphere. Thus, the arrangement of the oxidation catalyst body 38 in the first internal space 6 is effective in eliminating the influence of reducing gas such as CO and HC even if the gas to be measured is in an atmosphere with excess air. It is valid.

なお、第一の内部空所6内への酸化触媒体38の配置は、必ずしも例示の如き充填である必要はなく、例えば、第一の拡散律速通路12から測定電極22までの間の固体電解質層4c上、或いは、内側電極16上に印刷付与されていても良い。つまり、被測定ガスが第二の内部空所8に到達するまでに被測定ガス中のCO、HC等の未燃成分を酸化させれば良いのである。   The arrangement of the oxidation catalyst body 38 in the first internal space 6 is not necessarily filled as illustrated, for example, the solid electrolyte between the first diffusion-controlled passage 12 and the measurement electrode 22 is used. Printing may be applied on the layer 4 c or on the inner electrode 16. That is, it is only necessary to oxidize unburned components such as CO and HC in the measurement gas before the measurement gas reaches the second internal space 8.

また、そのような酸化反応の実現には、必ずしも酸化触媒体38を配置することが必須ではなく、内側電極16に酸化触媒性があれば酸化反応が促進されることは言うまでもないが、酸化触媒性のない、例えばAu電極或いはAu/Pt合金電極を用いても、第一の内部空所6内の酸素分圧及び温度とそれら未燃成分の酸化可能な条件に設定することでも、達成され得るのである。そして、その条件は、NOxが還元されず、出来るだけ低くて第二の内部空所8の酸素分圧に近い酸素分圧というNOx測定に有利な条件をも包含するものである。例えば、500℃であれば10-10 atm以上、600℃であれば10-15 atm以上であれば充分酸化可能である。 In order to realize such an oxidation reaction, it is not always necessary to dispose the oxidation catalyst body 38, and it goes without saying that the oxidation reaction is promoted if the inner electrode 16 has an oxidation catalytic property. Even if, for example, an Au electrode or an Au / Pt alloy electrode is used, it can be achieved by setting the oxygen partial pressure and temperature in the first internal space 6 and the oxidizable conditions of these unburned components. To get. The conditions also include an advantageous condition for NOx measurement in which the NOx is not reduced and the oxygen partial pressure is as low as possible and close to the oxygen partial pressure of the second internal space 8. For example, if it is 500 ° C., it can be oxidized at 10 −10 atm or more, and if it is 600 ° C., it can be sufficiently oxidized if it is 10 −15 atm or more.

そのようなNOx測定方法にあっては、NOxの還元によるNOx量の測定に先立って、被測定ガスが前記第一の内部空所6にて雰囲気調整されて、NOx量の測定に有効な雰囲気とされることにより、具体的には、前記第一の電気化学的セルによる酸素のポンピング作用にて、前記第一の内部空所6内の雰囲気中より酸素が汲み出されたり又は汲み入れられ、第二の内部空所8の酸素分圧に出来るだけ近づけた一定の値で且つ被測定ガス中に含まれる一酸化炭素(CO)や炭化水素(HC)等の未燃成分の酸化が行なわれる値に制御される。このようにすることにより、一酸化炭素(CO)、炭化水素(HC)等の未燃成分の酸化が行なわれ、それによって、そのような未燃成分とNOxとの間の反応を回避して、NOx濃度の測定をより正確と為すことが出来ることとなったのである。なお、燃料過多の条件で燃焼されたガス中のNOx濃度を測定する際には一酸化炭素や炭化水素等の未燃成分が極めて多量となり、未燃成分との反応の回避は、このような被測定ガスに対して特に有効である。   In such a NOx measuring method, the atmosphere to be measured is adjusted in the first internal space 6 prior to the measurement of the NOx amount by the reduction of NOx, and the atmosphere effective for measuring the NOx amount. Specifically, oxygen is pumped or pumped from the atmosphere in the first internal space 6 by the pumping action of oxygen by the first electrochemical cell. The oxidation of unburned components such as carbon monoxide (CO) and hydrocarbons (HC) contained in the gas to be measured is performed at a constant value as close as possible to the oxygen partial pressure of the second internal space 8. The value is controlled. In this way, unburned components such as carbon monoxide (CO) and hydrocarbons (HC) are oxidized, thereby avoiding a reaction between such unburned components and NOx. Therefore, the NOx concentration can be measured more accurately. When measuring the NOx concentration in the gas burned under excessive fuel conditions, the amount of unburned components such as carbon monoxide and hydrocarbons becomes extremely large. This is particularly effective for the gas to be measured.

そして、以上のような被測定ガス中の未燃成分の酸化は、燃料過剰の排気ガスの場合のみならず、燃料過少の排気ガスを対象とする場合であっても、僅かに残る未燃成分による測定値への影響を除去する上で有効であることは言うまでもない。   The oxidation of unburned components in the gas to be measured as described above is not only in the case of exhaust gas with excess fuel, but also in the case of exhaust gas with insufficient fuel remaining slightly. Needless to say, this is effective in eliminating the influence on the measured value.

また、かかる酸化触媒体38は、図13に示されるように、第一の拡散律速通路12の外部被測定ガス存在空間側の部位に位置するように、固体電解質層4a上に、層状に配置せしめることも出来、この場合、空気過剰の時のCO、HCによる誤差の除去において、主として有効である。けだし、燃料過剰の時は、被測定ガス中の酸素が過少のため、CO、HCの全量を酸化しきれないからである。更に、図14に示される如き酸化触媒体の配設形態においては、固体電解質層4aの外側に、更に固体電解質層4f、4gを積層せしめて、ガス導入路40を設け、その中に酸化触媒体38を配置することも出来、この場合には、酸化触媒体38が図12の例よりも高温部に配置されることとなるところから、CO、HC等の酸化がより促進される利点がある。   Further, as shown in FIG. 13, the oxidation catalyst body 38 is arranged in a layered manner on the solid electrolyte layer 4 a so as to be located at a portion of the first diffusion-controlled passage 12 on the external measurement gas existence space side. In this case, it is mainly effective in removing errors due to CO and HC when the air is excessive. However, when the fuel is excessive, the total amount of CO and HC cannot be oxidized because the oxygen in the gas to be measured is too small. Further, in the arrangement form of the oxidation catalyst body as shown in FIG. 14, a gas introduction path 40 is provided by further laminating solid electrolyte layers 4f and 4g outside the solid electrolyte layer 4a, and an oxidation catalyst is provided therein. The medium 38 can also be disposed. In this case, the oxidation catalyst body 38 is disposed at a higher temperature than in the example of FIG. is there.

さらに、第二の内部空所8内において、NOx還元触媒を兼ねる第二の電極(28)の三相界面の酸素濃度を制御するには、該第二の電極(28)から基準電極24側に酸素をポンピングする例示の方式のみならず、第一の電気化学的ポンプセルの外側電極18と第二の電極(28)との間において、電気化学的ポンプセルを構成して、かかる外側電極18側に第二の内部空所8内の酸素をポンピングするようにした方式を採用したり、また、第二の内部空所8内にNOx還元触媒電極(28)とは、別個の酸素汲み出し用の電極を設け、かかるNOx還元触媒電極と基準電極24との間の起電力に基づいて、かかる汲み出し用電極から基準電極24側に、或いは外側電極18側に、又は別に設けた汲み出し専用の電極にポンピングして、該NOx還元触媒電極の三相界面の酸素濃度を制御したりする方式も採用可能である。   Further, in order to control the oxygen concentration at the three-phase interface of the second electrode (28) that also serves as the NOx reduction catalyst in the second internal space 8, from the second electrode (28) to the reference electrode 24 side. In addition to the exemplary method of pumping oxygen, an electrochemical pump cell is formed between the outer electrode 18 and the second electrode (28) of the first electrochemical pump cell, and the outer electrode 18 side The second internal space 8 is pumped with oxygen, and the NOx reduction catalyst electrode (28) in the second internal space 8 is used for pumping oxygen separately. Based on the electromotive force between the NOx reduction catalyst electrode and the reference electrode 24, an electrode for pumping is provided from the pumping electrode to the reference electrode 24 side, the outer electrode 18 side, or a separate pumping electrode. Pump to the Method and controls the oxygen concentration of the three phase boundary of the Ox reduction catalyst electrode can also be employed.

更にまた、第一の内部空所6内の酸素分圧の制御方法としては、上例の如き電気化学的センサセルによる起電力の検出値に基づいて、印加電圧を始終変化せしめる方式の他、第一の電気化学的ポンプセルの一対の電極16、18間に一定の電圧を印加せしめる方式、或いは1個の電気化学的セルを時分割して、ポンプセルとセンサセルに兼用して用いる方式であっても、何等差し支えない。   Furthermore, as a method for controlling the oxygen partial pressure in the first internal space 6, a method for changing the applied voltage from start to finish based on the detection value of the electromotive force by the electrochemical sensor cell as in the above example, Even a method in which a constant voltage is applied between a pair of electrodes 16 and 18 of one electrochemical pump cell, or a method in which one electrochemical cell is time-shared and used as a pump cell and a sensor cell. There is no problem.

また、基準電極24は、基準空気導入通路10を通じて、必ずしも大気に連通せしめられている必要はなく、第二の電極(28)から汲み出される酸素を溜める空間を形成し、その溜め空間に基準電極24を配置するようにすることも可能である。   Further, the reference electrode 24 does not necessarily need to be communicated with the atmosphere through the reference air introduction passage 10, but forms a space for storing oxygen pumped out from the second electrode (28), and the reference space is used as the reference space. It is also possible to arrange the electrode 24.

さらに、本発明においては、第二の内部空所及び第二の拡散律速手段が、多孔質体が充填せしめられる空間にて構成されていても良い。より具体的には、図2に示されるセンサ素子2における第二の内部空所8及び第二の拡散律速通路14の構成に代えて、図15に示される如き構成が採用され得るのである。即ち、第一の内部空所6に接するように、該第一の内部空所に続く空所内に、多孔質アルミナ等の多孔質体44からなる第二の拡散律速手段が充填せしめられ、これによって、同時に第二の内部空所が構成されており、以て内部空所形状が簡略化されているのである。なお、ここでは、第二の拡散律速手段(44)の拡散抵抗は、第一の拡散律速通路12の拡散抵抗よりも大きくなるように構成されており、第一の内部空所6内の雰囲気が、第二の内部空所内雰囲気の影響を受けないようにされている。   Furthermore, in the present invention, the second internal space and the second diffusion rate limiting means may be configured in a space filled with a porous body. More specifically, instead of the configuration of the second internal space 8 and the second diffusion-controlled passage 14 in the sensor element 2 shown in FIG. 2, a configuration as shown in FIG. 15 can be adopted. That is, the second diffusion rate-limiting means made of the porous body 44 such as porous alumina is filled in the space following the first internal space so as to be in contact with the first internal space 6. As a result, a second internal space is formed at the same time, thereby simplifying the shape of the internal space. Here, the diffusion resistance of the second diffusion rate limiting means (44) is configured to be larger than the diffusion resistance of the first diffusion rate limiting path 12, and the atmosphere in the first internal space 6 is However, it is made not to be influenced by the atmosphere in the second internal space.

また、多孔質体44の充填は、図21に示すように、内側ポンプ電極28上に印刷付与されたような形態でも良い。このような構成にすることにより、多孔質体44が第二の拡散律速手段となり、実質的に多孔質体そのものが第二の内部空所となり、且つ内部空所に充填された形態となる。   Further, the filling of the porous body 44 may be a form in which printing is applied on the inner pump electrode 28 as shown in FIG. By adopting such a configuration, the porous body 44 becomes the second diffusion rate-limiting means, and the porous body itself becomes the second internal space and is filled in the internal space.

そして、このような構成のセンサ素子2において、第一の内部空所6内の測定電極22と基準電極24との間の起電力が、203mV(500℃)になるように、第一の電気化学的ポンプセルの二つの電極16、18間に印加せしめられる電圧が制御され、更には、第二の電気化学的ポンプセルを構成する内部ポンプ電極28と基準電極24との間の起電力が、449mV(700℃)になるように所定の電圧が制御された状態では、図16に示されるように、NO濃度とポンプ電流(Ip)は直線的に変化するのである。従って、かかるIp値を測定することにより、NO濃度を知ることができるのである。   In the sensor element 2 having such a configuration, the first electric power is set so that the electromotive force between the measurement electrode 22 and the reference electrode 24 in the first internal space 6 is 203 mV (500 ° C.). The voltage applied between the two electrodes 16 and 18 of the chemical pump cell is controlled, and furthermore, the electromotive force between the internal pump electrode 28 and the reference electrode 24 constituting the second electrochemical pump cell is 449 mV. In a state where the predetermined voltage is controlled to be (700 ° C.), the NO concentration and the pump current (Ip) change linearly as shown in FIG. Therefore, the NO concentration can be known by measuring the Ip value.

なお、図15に示されるセンサ素子の構成に加えて、更に、第二の拡散律速手段44の多孔質構造内にNOx還元触媒を担持せしめたり、第一の内部空所6内にCOやHC等の未燃成分を酸化させる酸化触媒を配置したりしても、同様のNO検知特性が得られるものであって、このように必要に応じて種々の構成を付加することができるのである。   In addition to the configuration of the sensor element shown in FIG. 15, a NOx reduction catalyst is further supported in the porous structure of the second diffusion rate controlling means 44, or CO or HC is contained in the first internal space 6. Even if an oxidation catalyst that oxidizes unburned components such as these is arranged, the same NO detection characteristic can be obtained, and thus various configurations can be added as necessary.

さらに、第一の内部空所6内に配置された電極(16、22)と第二の内部空所(第二の拡散律速手段44)内の電極(28)は、それらのNOx還元力の関係が、「弱い(第一の内部空所6内の電極)≦(第二の内部空所内の電極)強い」となるようにされるものが、適宜に選択されて用いられる。加えて、第二の内部空所内の電極上(28)にNOx還元触媒層を配設しても良い。   Furthermore, the electrodes (16, 22) arranged in the first internal space 6 and the electrodes (28) in the second internal space (second diffusion rate-limiting means 44) have their NOx reducing power. A material whose relationship is “weak (electrode in the first internal space 6) ≦ (electrode in the second internal space) is strong” is appropriately selected and used. In addition, a NOx reduction catalyst layer may be disposed on the electrode (28) in the second internal space.

そして、基準電極、基準ガス導入孔の位置、基準ガスの種類も、第一の内部空所6内の測定電極と基準電極の間の起電力がネルンストの式に従う範囲となるようなものが、適宜に選択されるのである。   The reference electrode, the position of the reference gas introduction hole, and the type of the reference gas are such that the electromotive force between the measurement electrode and the reference electrode in the first internal space 6 is in the range according to the Nernst equation, It is selected as appropriate.

また、加熱手段としては、第一の内部空所6内の電極温度と第二の内部空所(第二の拡散律速手段44)内の電極温度との関係が、「低い(第一の内部空所6内の電極)<(第二の内部空所内の電極)高い」となるように、適宜に選択される。   Further, as the heating means, the relationship between the electrode temperature in the first internal space 6 and the electrode temperature in the second internal space (second diffusion control means 44) is “low (first internal space The electrode is appropriately selected so that “the electrode in the void 6) <(the electrode in the second void) is high”.

さらに、本発明に従うNOxセンサにあっては、センサ素子内に、外部の被測定ガス存在空間に開口するように設けた、予め定められた拡散抵抗を有する細隙な平坦空間にて、第一の拡散律速手段と第二の拡散律速手段とを、構成することも可能であり、その一例が、図17に示されている。   Furthermore, in the NOx sensor according to the present invention, the first in a slit flat space having a predetermined diffusion resistance provided in the sensor element so as to open to the external space to be measured gas. It is also possible to configure the diffusion rate limiting means and the second diffusion rate limiting means, an example of which is shown in FIG.

すなわち、かかる図17においては、センサ素子2は、図2のセンサ素子と同様に、六つの酸素イオン伝導性の固体電解質層4a、4b、4c、4h、4d、4e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おり、それら複数の固体電解質層のうち、図において上から二つ目の固体電解質層4bの先端部が、所定長さに亘って矩形に切り欠かれていることによって、センサ素子2の先端部に開口する、所定の拡散抵抗を有する細隙な平坦空間50が、所定幅にて、センサ素子2の長手方向に所定長さに亘って延在せしめられている。要するに、平坦空間50は、長手の矩形形状の平面形態を呈し、その一方の短辺部において外部の被測定ガス存在空間に開口せしめられているのである。   That is, in FIG. 17, the sensor element 2 is laminated by including six oxygen ion conductive solid electrolyte layers 4a, 4b, 4c, 4h, 4d, and 4e as in the sensor element of FIG. The tip of the second solid electrolyte layer 4b from the top in the figure is cut out into a rectangular shape over a predetermined length among the plurality of solid electrolyte layers. As a result, a narrow flat space 50 having a predetermined diffusion resistance that opens at the tip of the sensor element 2 is extended over a predetermined length in the longitudinal direction of the sensor element 2 with a predetermined width. ing. In short, the flat space 50 is in the form of a long rectangular plane, and is open to an external space to be measured gas in one short side.

そして、その平坦空間50内には、その開口部から、外部の被測定ガスが導き入れられ、そして所定の拡散抵抗の下に、かかる平坦空間50の奥部に到達せしめられることとなるところから、そのような平坦空間50自体が、第一の拡散律速手段及び第二の拡散律速手段を構成することとなるのである。また、かかる平坦空間50は、その開口側部位に、第一の電気化学的ポンプセルを構成する内側電極(ポンプ電極)16が設けられることによって、当該部位が、第一の内部空所6とされる一方、かかる第一の内部空所6よりも奥側の平坦空間50部位が、第二の内部空所8とされて、そこに、第二の電気化学的ポンプセルを構成する内部ポンプ電極28が、配設せしめられている。   Then, the gas to be measured outside is introduced into the flat space 50 from the opening and reaches the inner part of the flat space 50 under a predetermined diffusion resistance. Such a flat space 50 itself constitutes the first diffusion rate limiting means and the second diffusion rate limiting means. Further, the flat space 50 is provided with the inner electrode (pump electrode) 16 constituting the first electrochemical pump cell at the opening side portion thereof, so that the portion becomes the first inner space 6. On the other hand, the flat space 50 part on the back side of the first internal space 6 is defined as the second internal space 8, and the internal pump electrode 28 constituting the second electrochemical pump cell is provided there. Is disposed.

また、ここでは、基準空気導入通路10が、固体電解質層4hの切欠き部によって形成され、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ている。更に、この基準空気導入通路10内には、基準電極24が配置され、平坦空間50内に設けられた測定電極22との間において、電気化学的センサセルを構成すると共に、ポンプ電極の一つとしても機能し、内部ポンプ電極28と共に、第二の電気化学的ポンプセルを構成するようになっている。   In addition, here, the reference air introduction passage 10 is formed by a notch portion of the solid electrolyte layer 4h, opens at the end portion on the base side of the sensor element 2, and communicates with the atmosphere. Further, a reference electrode 24 is disposed in the reference air introduction passage 10 to constitute an electrochemical sensor cell between the measurement electrode 22 provided in the flat space 50 and as one of pump electrodes. Functions together with the internal pump electrode 28 to form a second electrochemical pump cell.

なお、かかる図17に示されるNOxセンサの他の部分は、先述せる図2に示されるNOxセンサのセンサ素子構造と同様であるので、同一の番号を付して、詳細な説明は省略することとする。また、センサ素子2内に設けられる平坦空間50や基準空気導入通路10の具体的構造については、特公平5−18059号公報の第10図及び第11図に詳細に示されているところであり、それらの図を参照して、図17のセンサ素子構造は、理解されるべきである。   The other parts of the NOx sensor shown in FIG. 17 are the same as the sensor element structure of the NOx sensor shown in FIG. 2 described above. And Further, specific structures of the flat space 50 and the reference air introduction passage 10 provided in the sensor element 2 are shown in detail in FIGS. 10 and 11 of Japanese Patent Publication No. 5-18059. Referring to those figures, the sensor element structure of FIG. 17 should be understood.

また、図18には、上述した図17に示されるセンサ素子2の変形例の一つが明らかにされており、そこでは、平坦空間50の開口部内に、所定の拡散抵抗を有する多孔質体52が充填されている。このような多孔質体52を通じて、外部の被測定ガス存在空間から、被測定ガスを、所定の拡散抵抗の下に、平坦空間50内に導き、かかる平坦空間50の開口部側部分にて構成される第一の内部空所6内において、第一の酸素ポンプ手段による酸素のポンピングを行なうようにすれば、第一の内部空所6に対するより確実な拡散律速が実現され得ると共に、COやHC等の未燃成分が該多孔質体52において効果的に酸化せしめられ得る利点等が生ずることとなる。   Also, FIG. 18 shows one of the modifications of the sensor element 2 shown in FIG. 17 described above, in which a porous body 52 having a predetermined diffusion resistance is provided in the opening of the flat space 50. Is filled. Through such a porous body 52, the gas to be measured is guided from the external space to be measured gas into the flat space 50 under a predetermined diffusion resistance, and is configured at the opening side portion of the flat space 50. If oxygen pumping is performed by the first oxygen pump means in the first internal space 6, a more reliable diffusion rate control for the first internal space 6 can be realized, and CO and An advantage that an unburned component such as HC can be effectively oxidized in the porous body 52 occurs.

さらに、上述したNOxセンサの作動の具体例においては、何れも、第一の内部空所6と第二の内部空所8との間に、温度差を設けて、NOxの効果的な分解還元操作が実現され得るようになっているが、必ずしも、第一の内部空所6内の雰囲気の温度と第二の内部空所8内の雰囲気の温度に差を設ける必要はないのである。例えば、図3に示される例に基づいて説明するならば、第一の内部空所6及び第二の内部空所8の温度を、共に600℃に設定すると、第一の内部空所6内に設けられたPt電極(16)は、略10-6atm以上の酸素分圧下において、NOxを還元せしめ得ない一方、第二の内部空所8内に設けられたRh電極(28)では、10-5atm以下の酸素分圧下において、NOxが還元せしめられるのである。従って、第一の内部空所6内の雰囲気中の酸素分圧を10-6atm以上と為し、且つ第二の内部空所8内の雰囲気中の酸素分圧を10-5atm以下に設定すれば、第一及び第二の内部空所6、8内の温度が同じ600℃でも、NOxの測定が可能となるのである。 Furthermore, in the specific examples of the operation of the NOx sensor described above, any temperature reduction is provided between the first internal space 6 and the second internal space 8 to effectively decompose and reduce NOx. Although the operation can be realized, it is not always necessary to provide a difference between the temperature of the atmosphere in the first internal space 6 and the temperature of the atmosphere in the second internal space 8. For example, referring to the example shown in FIG. 3, if the temperature of the first internal space 6 and the second internal space 8 are both set to 600 ° C., the inside of the first internal space 6 While the Pt electrode (16) provided in FIG. 6 cannot reduce NOx under an oxygen partial pressure of approximately 10 −6 atm or more, the Rh electrode (28) provided in the second internal space 8 NOx is reduced under an oxygen partial pressure of 10 −5 atm or less. Accordingly, the oxygen partial pressure in the atmosphere in the first internal space 6 is set to 10 −6 atm or more, and the oxygen partial pressure in the atmosphere in the second internal space 8 is set to 10 −5 atm or less. If set, it is possible to measure NOx even if the temperature in the first and second internal spaces 6 and 8 is the same 600 ° C.

また、前述したように、Au電極、Au/Pt合金電極のようなNOx還元性のない電極或いは還元性が低い電極を採用すれば、第一の内部空所の温度>第二の内部空所の温度の条件下でも、NOxの測定が可能となるのである。例えば、Ptに1%のAuを含んだ合金電極の場合、温度が800℃でも10-15 atmでNOxが還元されないため、第一の内部空所の温度を800℃、酸素分圧を10-10 atmにし、第二の内部空所の温度を600℃、酸素分圧を10-10 atmに設定し、NOxを測定することも可能となるのである。 Further, as described above, if an electrode having no NOx reducing property such as an Au electrode, an Au / Pt alloy electrode or an electrode having a low reducing property is employed, the temperature of the first internal space> the second internal space This makes it possible to measure NOx even under the above temperature conditions. For example, in the case of an alloy electrode containing 1% Au in Pt, NOx is not reduced at 10 −15 atm even at a temperature of 800 ° C., so the temperature of the first internal space is 800 ° C. and the oxygen partial pressure is 10 to 10 atm, the second temperature internal space 600 ° C., the oxygen partial pressure is set to 10 -10 atm, it's becomes possible to measure the NOx.

図19は、600℃の時の起電力と酸素分圧の関係を示すものであり、電気化学的センサセルを構成する測定電極22の起電力が150mVになるように、第一の内部空所6内の雰囲気中の酸素分圧を制御するならば、かかる第一の内部空所6内の酸素分圧は、略10-4atmとなるのであり、このため、該第一の内部空所6内では、NOxは還元されない。一方、第二の電気化学的ポンプセルを構成する第二の内部空所8内に配置された内部ポンプ電極28に、450mVを印加すると、その三相界面の酸素分圧は、略10-11 atmとなるため、かかる内部ポンプ電極28にてNOxが還元されることとなり、そして、その還元時に発生した酸素が、第二の電気化学的ポンプセルのポンプ電流となって、検出され得るのである。このように制御されたNOxセンサにおけるNO濃度と、ポンプ電流(Ip)との関係が、図20に示されている。 FIG. 19 shows the relationship between the electromotive force and the oxygen partial pressure at 600 ° C., and the first internal space 6 is set so that the electromotive force of the measurement electrode 22 constituting the electrochemical sensor cell is 150 mV. If the oxygen partial pressure in the atmosphere inside is controlled, the oxygen partial pressure in the first internal space 6 is approximately 10 −4 atm. For this reason, the first internal space 6 Inside, NOx is not reduced. On the other hand, when 450 mV is applied to the internal pump electrode 28 disposed in the second internal space 8 constituting the second electrochemical pump cell, the oxygen partial pressure at the three-phase interface is about 10 −11 atm. Therefore, NOx is reduced by the internal pump electrode 28, and oxygen generated during the reduction becomes a pump current of the second electrochemical pump cell and can be detected. The relationship between the NO concentration in the NOx sensor controlled in this way and the pump current (Ip) is shown in FIG.

なお、以上の具体例では、何れも、被測定ガス成分としてNOxが対象とされているが、勿論、本発明が、被測定ガス中に存在する酸素の影響を受ける、NOx以外の他の結合酸素含有ガス成分、例えばH2 OやCO2 等の測定にも有効に適用され得るものであることは、言うまでもないところである。 In each of the above specific examples, NOx is the target gas component to be measured. Of course, the present invention is not limited to other bonds other than NOx that are affected by oxygen present in the gas to be measured. It goes without saying that the present invention can also be effectively applied to the measurement of oxygen-containing gas components such as H 2 O and CO 2 .

因みに、図1及び図2に示される如きセンサ素子2を用いた、被測定ガス中のH2 O(水分)測定の場合にあっては、先ず、第一の内部空所6内の雰囲気は、第一の電気化学的ポンプセルによる酸素の汲み出しにて、酸素分圧が出来るだけ低く且つH2 Oが分解しない値、例えば10-10 atmに制御される。次いで、このO2 濃度が一定の低い値に制御された被測定ガス(第一の内部空所6内の雰囲気)は、第二の拡散律速通路14を通り、第二の内部空所8に導かれる。第二の電気化学的ポンプセルの両電極24、28間に所定の電圧を印加せしめる定電圧電源30は、1.5Vに設定され、内部ポンプ電極28から基準電極24に向かって酸素が汲み出される。このとき、第二の内部空所8内の雰囲気中のH2 OはH2 とO2 に分解され、この分解されたO2 も同時に汲み出される。そして、このような第二の電気化学的ポンプセルによるポンプ作動において、電流計32にて検出されるポンプ電流は、かかる第二の内部空所8内の雰囲気中のH2 O濃度に比例することになる。被測定ガス中の酸素が第一の内部空所6において、10-1atm(0.0001ppm)にまで減じられているため、殆どがH2 Oの分解に基づく値となるのである。図22には、第一の内部空所6及び第二の内部空所8を共に700℃に加熱した場合におけるH2 O濃度とポンプ電流(Ip)との関係が示されている。 Incidentally, in the case of measuring H 2 O (moisture) in the gas to be measured using the sensor element 2 as shown in FIGS. 1 and 2, first, the atmosphere in the first internal space 6 is In the pumping of oxygen by the first electrochemical pump cell, the oxygen partial pressure is controlled to a value as low as possible and H 2 O does not decompose, for example, 10 −10 atm. Next, the gas to be measured (atmosphere in the first internal space 6) whose O 2 concentration is controlled to a certain low value passes through the second diffusion-controlled passage 14 and enters the second internal space 8. Led. A constant voltage power source 30 for applying a predetermined voltage between both electrodes 24 and 28 of the second electrochemical pump cell is set to 1.5 V, and oxygen is pumped from the internal pump electrode 28 toward the reference electrode 24. . At this time, H 2 O in the atmosphere in the second internal space 8 is decomposed into H 2 and O 2, and the decomposed O 2 is also pumped out simultaneously. In such a pump operation by the second electrochemical pump cell, the pump current detected by the ammeter 32 is proportional to the H 2 O concentration in the atmosphere in the second internal space 8. become. Since the oxygen in the gas to be measured has been reduced to 10 −1 atm (0.0001 ppm) in the first internal space 6, most of the values are based on the decomposition of H 2 O. FIG. 22 shows the relationship between the H 2 O concentration and the pump current (Ip) when both the first internal space 6 and the second internal space 8 are heated to 700 ° C.

なお、このようなH2 Oの測定において、雰囲気中のH2 Oを分解するには、第二の電気化学的ポンプセルのポンプ電圧を1V以上にすればよく、それよりも電圧が低くなると、H2 Oを充分に分解し得ないのである。また、かかるポンプ電圧は3V以下にすることが望ましく、それよりも高い電圧で長時間ポンプ作動せしめた場合にあっては、固体電解質材料(例えばZrO2 )が分解され、強度の低下等の問題を惹起する。このポンプ電圧としては、好ましくは、1.2V〜2.5Vが採用されることとなる。 Incidentally, in the measurement of such H 2 O, to decompose of H 2 O in the atmosphere, it may be a pump voltage of the second electrochemical pumping cell above 1V, the it from voltage becomes lower, H 2 O cannot be decomposed sufficiently. In addition, it is desirable that the pump voltage be 3 V or less. If the pump is operated at a higher voltage for a long time, the solid electrolyte material (for example, ZrO 2 ) is decomposed to cause a problem such as a decrease in strength. To provoke. As this pump voltage, 1.2V to 2.5V is preferably adopted.

また、被測定ガス成分がCO2 である場合にあっても、図1及び図2に示される如き構成のセンサ素子2を用いて、上記のH2 Oの場合と同様にして、その測定が可能である。即ち、CO2 の測定に際しては、先ず、第一の内部空所6内の雰囲気中の酸素分圧が10-10 atmに制御されて、CO2 が分解しない、出来るだけ低い酸素分圧値とされる。そして、このO2 濃度が一定の低い値に制御された雰囲気は、第二の拡散律速通路14を通って第二の内部空所8内に導かれ、1.5Vに設定された定電圧電源30からの給電による第二の電気化学的ポンプセルのポンプ作動によって、内部ポンプ電極28から基準電極24に向かって酸素が汲み出される。このとき、第二の内部空所8内のCO2 はCOとO2 に分解され、この分解されたO2 も同時に汲み出されるのであり、そしてこの時のポンプ電流がCO2 濃度に比例するのである。なお、被測定ガス中の酸素は、第一の内部空所6において10-10 atm(0.0001ppm)にまで減じられているために、第二の内部空所8から汲み出される酸素の殆どがCO2 の分解に基づく値となるのである。図23には、第一の内部空所6及び第二の内部空所8を共に700℃に加熱した場合におけるCO2 濃度とポンプ電流(Ip)との関係が示されている。 Even when the gas component to be measured is CO 2 , the measurement can be performed in the same manner as in the case of H 2 O using the sensor element 2 having the configuration shown in FIGS. Is possible. That is, when measuring CO 2 , first, the oxygen partial pressure in the atmosphere in the first internal space 6 is controlled to 10 −10 atm so that CO 2 is not decomposed and the oxygen partial pressure value is as low as possible. Is done. Then, the atmosphere in which the O 2 concentration is controlled to a constant low value is led into the second internal space 8 through the second diffusion rate-determining passage 14, and is a constant voltage power source set to 1.5V. Oxygen is pumped from the internal pump electrode 28 toward the reference electrode 24 by the pumping operation of the second electrochemical pump cell by the power supply from 30. At this time, CO 2 in the second internal space 8 is decomposed into CO and O 2 , and this decomposed O 2 is also pumped out at the same time, and the pump current at this time is proportional to the CO 2 concentration. It is. Since the oxygen in the gas to be measured is reduced to 10 −10 atm (0.0001 ppm) in the first internal space 6, most of the oxygen pumped out from the second internal space 8. Is a value based on the decomposition of CO2. FIG. 23 shows the relationship between the CO 2 concentration and the pump current (Ip) when both the first internal space 6 and the second internal space 8 are heated to 700 ° C.

そして、このようなCO2 の測定の場合においても、雰囲気中のCO2 を分解するには、第二の電気化学的ポンプセルのポンプ電圧を1V以上にすればよく、それよりも電圧が低くなると、CO2 を充分に分解し得なくなる。また、このポンプ電圧は3V以下にすることが望ましく、それよりも高い電圧下で長時間ポンプ作動せしめると、固体電解質材料の分解等の問題を惹起する。このポンプ電圧の更に望ましい範囲としては、1.2V〜2.5Vである。 Even in the case of such CO 2 measurement, in order to decompose CO 2 in the atmosphere, the pump voltage of the second electrochemical pump cell may be set to 1 V or more, and the voltage becomes lower than that. , CO 2 cannot be sufficiently decomposed. The pump voltage is desirably 3 V or less. If the pump is operated for a long time at a voltage higher than that, problems such as decomposition of the solid electrolyte material are caused. A more desirable range of the pump voltage is 1.2V to 2.5V.

このように、H2 OやCO2 等の、結合酸素を有するガス成分にあっても、NOxと同様に、それらを第二の内部空所8内において分解せしめ、それによって発生するO2 を外部に汲み出すときのポンプ電流値(Ip)を検出することによって、それらガス成分濃度を求めることが出来るのである。なお、それらH2 OやCO2 等の被測定ガス成分の分解を積極的に行なうべく、NOxの場合と同様にして、第二の内部空所8内に適当な分解触媒を配することも可能である。 As described above, even in the case of gas components having bonded oxygen such as H 2 O and CO 2 , they are decomposed in the second internal space 8 in the same manner as NOx, and O 2 generated thereby is reduced. By detecting the pump current value (Ip) when pumping outside, the concentration of these gas components can be obtained. In order to actively decompose the gas components to be measured such as H 2 O and CO 2 , an appropriate decomposition catalyst may be disposed in the second internal space 8 in the same manner as in the case of NOx. Is possible.

また、本発明は、上記したNOx、H2 O、CO2 等の結合酸素を有するガス成分を被測定ガス成分とする場合において、特に有利に採用されるものではあるが、これのみに限定されるものではなく、被測定ガス中の酸素によって影響を受けるガス成分であれば、如何なるものにも、本発明の適用が可能である。例えば、H2 やNH3 は、その測定に際し、被測定ガス中の酸素によって燃焼し、その正確な測定が困難となる恐れがあるが、本発明に従って、被測定ガス中の酸素を第一の内部空所において除去すれば、第二の内部空所において、H2 やNH3 の濃度を正確に測定することが出来ることとなる。 In addition, the present invention is particularly advantageously employed when the gas component having bound oxygen such as NOx, H 2 O, CO 2 and the like is used as a gas component to be measured, but is not limited thereto. The present invention can be applied to any gas component that is not affected by oxygen in the gas to be measured. For example, H 2 and NH 3 are combusted by oxygen in the gas to be measured at the time of measurement, and there is a risk that accurate measurement thereof may be difficult. If removed in the internal space, the concentration of H 2 and NH 3 can be accurately measured in the second internal space.

なお、第二の内部空所内の雰囲気中に存在するH2 、NH3 等の各種の被測定ガス成分の濃度測定には、公知の適当な検出手段が選択され、具体的には、H2 の測定には、酸素ポンプ手段と同様な構成のプロトンポンプが用いられることとなる。即ち、プロトンポンプは、プロトンイオン伝導性固体電解質層とそれに接して設けられた一対の電極にて構成され、それら一対の電極間への通電によって、第二の内部空所より外部へH2 をポンピングせしめ、その際のポンプ電流を検出することにより、H2 濃度が求められるのである。また、NH3 の測定の場合においても、それが第二の内部空所にて分解してH2 とN2 を発生することにより、その発生したH2 を上記のプロトンポンプにて汲み出し、その際のポンプ電流を検出することによって、NH3 濃度を知ることが出来る。 Note that the concentration measurement of H 2, NH 3 various measurement gas components, such as present in the atmosphere in the second internal space, known suitable detecting means is selected, specifically, H 2 In this measurement, a proton pump having the same configuration as that of the oxygen pump means is used. That is, the proton pump is composed of a proton ion conductive solid electrolyte layer and a pair of electrodes provided in contact therewith, and H 2 is supplied from the second internal space to the outside by energization between the pair of electrodes. By pumping and detecting the pump current at that time, the H 2 concentration is obtained. In the case of measuring NH 3 , it decomposes in the second internal space to generate H 2 and N 2, and the generated H 2 is pumped out by the proton pump. By detecting the pump current, the NH 3 concentration can be known.

このように、本発明が、当業者の知識に基づいて、種々なる変更、修正、改良等を加えた態様において実施され得ることは、言うまでもないところであり、また、そのような実施態様が、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて、何れも、本発明の範囲内に属するものであることが、理解されるべきである。   As described above, it goes without saying that the present invention can be implemented in a mode in which various changes, modifications, improvements, and the like are added based on the knowledge of those skilled in the art. It should be understood that all fall within the scope of the present invention without departing from the spirit of the invention.

本発明に従う測定装置に係るNOxセンサを構成するセンサ素子の一例を示す平面説明図である。It is plane explanatory drawing which shows an example of the sensor element which comprises the NOx sensor which concerns on the measuring apparatus according to this invention. 図1に示されるセンサ素子のA−A断面における要部拡大説明図である。It is a principal part expansion explanatory drawing in the AA cross section of the sensor element shown by FIG. 各内部空所における電極加熱温度及び酸素分圧の制御方式の一具体例を示すグラフである。It is a graph which shows one specific example of the control system of the electrode heating temperature and oxygen partial pressure in each internal space. 異なる排気ガス温度下におけるセンサ素子の加熱温度と素子先端からの距離との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the heating temperature of the sensor element in the different exhaust gas temperature, and the distance from an element front-end | tip. 図3に示される制御の一例におけるNO濃度とポンプ電流(Ip)との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between NO density | concentration and pump current (Ip) in the example of control shown by FIG. 各内部空所における電極加熱温度と酸素分圧の制御に係る第二の具体例を示すグラフである。It is a graph which shows the 2nd specific example which concerns on control of the electrode heating temperature and oxygen partial pressure in each internal space. 図6に示される具体例におけるNO濃度とポンプ電流(Ip)との関係を示すグラフである。7 is a graph showing the relationship between the NO concentration and the pump current (Ip) in the specific example shown in FIG. 6. 各内部空所における電極加熱温度と酸素分圧の制御に係る第三の具体例を示すグラフである。It is a graph which shows the 3rd specific example which concerns on control of the electrode heating temperature and oxygen partial pressure in each internal space. 各内部空所における電極加熱温度と酸素分圧の制御に係る第四の具体例を示すグラフである。It is a graph which shows the 4th specific example which concerns on control of the electrode heating temperature and oxygen partial pressure in each internal space. 図9に示される具体例におけるNO濃度とポンプ電流(Ip)との関係を示すグラフである。10 is a graph showing the relationship between NO concentration and pump current (Ip) in the specific example shown in FIG. 9. NOx還元触媒を内部ポンプ電極上に積層せしめた例を示す、図2に対応する部分図である。FIG. 3 is a partial view corresponding to FIG. 2, showing an example in which a NOx reduction catalyst is stacked on an internal pump electrode. 酸化触媒体を第一の内部空所内に配設せしめた例を示す、図2に対応する部分図である。FIG. 3 is a partial view corresponding to FIG. 2, showing an example in which an oxidation catalyst body is disposed in a first internal space. 酸化触媒体の他の配設例を示す、図2に対応する部分図である。FIG. 3 is a partial view corresponding to FIG. 2 showing another example of arrangement of the oxidation catalyst body. 酸化触媒体の更に異なる他の配設例を示す、図2に対応する部分図である。It is the fragmentary view corresponding to FIG. 2 which shows the other example of another arrangement | positioning of an oxidation catalyst body. 第二の内部空所及び第二の拡散律速手段の異なる構成の具体例を示す、図2に対応する部分図である。FIG. 3 is a partial view corresponding to FIG. 2, showing specific examples of different configurations of the second internal space and the second diffusion rate-limiting means. 図15に示される具体例におけるNO濃度とポンプ電流(Ip)との関係を示すグラフである。16 is a graph showing the relationship between NO concentration and pump current (Ip) in the specific example shown in FIG. 15. 本発明に従う測定装置に係るNOxセンサを構成するセンサ素子の異なる一例を示す図2に対応する断面説明図である。FIG. 3 is a cross-sectional explanatory view corresponding to FIG. 2, showing a different example of sensor elements constituting the NOx sensor according to the measuring apparatus according to the present invention. 図17に示されるセンサ素子の変形例を示す図17に対応する断面説明図である。FIG. 18 is a cross-sectional explanatory view corresponding to FIG. 17 showing a modification of the sensor element shown in FIG. 17. 600℃における起電力と酸素分圧との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the electromotive force in 600 degreeC, and oxygen partial pressure. 第一の内部空所と第二の内部空所の温度を600℃にして、第一の電気化学的ポンプセルと第二の電気化学的ポンプセルへの印加電圧を異ならしめた実施例におけるNO濃度とポンプ電流の関係を示すグラフである。NO concentration in the embodiment in which the temperature of the first internal space and the second internal space is 600 ° C., and the applied voltages to the first electrochemical pump cell and the second electrochemical pump cell are different. It is a graph which shows the relationship of pump current. 第二の内部空所及び第二の拡散律速手段について、図15に示されるものとは異なる構成の具体例を示す、図2に対応する部分図である。FIG. 16 is a partial view corresponding to FIG. 2, showing a specific example of a configuration different from that shown in FIG. 15 with respect to the second internal space and the second diffusion rate limiting means. 第一の内部空所と第二の内部空所の温度を700℃にして、H2 Oの測定を行なった実施例におけるH2 O濃度とポンプ電流(Ip)との関係を示すグラフである。A first internal space and a second temperature of internal space in the 700 ° C., is a graph showing the relationship between the H 2 O concentration and the pumping current (Ip) in the embodiment was measured in H 2 O . 第一の内部空所と第二の内部空所の温度を700℃にして、CO2 の測定を行なった実施例におけるCO2 濃度とポンプ電流(Ip)との関係を示すグラフである。A first internal space and a second temperature of internal space in the 700 ° C., which is a graph showing the relationship between the CO 2 concentration and the pumping current (Ip) in the embodiment was measured in CO 2. 本発明の原理を説明するためのセンサ素子断面説明図である。It is sensor element cross-sectional explanatory drawing for demonstrating the principle of this invention. 従来方法の原理を説明するためのセンサ素子断面説明図である。It is sensor element cross-sectional explanatory drawing for demonstrating the principle of the conventional method.

符号の説明Explanation of symbols

2 センサ素子
4a,4b,4c,4d,4e,4f,4g,4h 固体電解質層
6 第一の内部空所 8 第二の内部空所
10 基準空気導入通路 12 第一の拡散律速通路
14 第二の拡散律速通路 16 内側電極
18 外側電極 20 可変電源
22 測定電極 24 基準電極
26 電位差計 28 内部ポンプ電極
30 定電圧電源 32 電流計
34 アルミナ絶縁層 36 ヒータ
38 酸化触媒体 40 ガス導入路
42 NOx還元触媒 44、52 多孔質体
50 平坦空間 56 第一の電気化学的ポンプセル
58 第二の電気化学的ポンプセル
2 Sensor elements 4a, 4b, 4c, 4d, 4e, 4f, 4g, 4h Solid electrolyte layer 6 First internal space 8 Second internal space 10 Reference air introduction passage 12 First diffusion rate-limiting passage 14 Second Diffusion-controlled passage 16 inner electrode 18 outer electrode 20 variable power supply 22 measurement electrode 24 reference electrode 26 potentiometer 28 internal pump electrode 30 constant voltage power supply 32 ammeter 34 alumina insulating layer 36 heater 38 oxidation catalyst body 40 gas introduction path 42 NOx reduction Catalyst 44, 52 Porous body 50 Flat space 56 First electrochemical pump cell 58 Second electrochemical pump cell

Claims (2)

被測定ガス存在空間より導かれた被測定ガス中の酸素分圧を所定の値に制御せしめる第一の酸素ポンプ手段と、該第一の酸素ポンプ手段にて制御された酸素分圧の被測定ガスより、該被測定ガス中の酸素を汲み出し、かかる雰囲気中の酸素分圧を、前記NOx成分が還元乃至は分解され得る所定の値に制御して、該第二の内部空所内の雰囲気中に存在するNOx成分を還元乃至は分解せしめ、その際に発生する酸素をも同時に汲み出すようにした第二の酸素ポンプ手段とを有し、該第二の酸素ポンプ手段のポンプ作動によって流れるポンプ電流を検出することにより、被測定ガス中に存在するNOx濃度を求めるようにしたことを特徴とするNOxセンサ。   First oxygen pump means for controlling the oxygen partial pressure in the measurement gas led from the measurement gas existence space to a predetermined value, and measurement of the oxygen partial pressure controlled by the first oxygen pump means Oxygen in the gas to be measured is pumped out from the gas, and the oxygen partial pressure in the atmosphere is controlled to a predetermined value at which the NOx component can be reduced or decomposed, so that the atmosphere in the second internal space A second oxygen pump means for reducing or decomposing NOx components present in the gas and simultaneously pumping out the oxygen generated at that time, and a pump that flows by the pump operation of the second oxygen pump means A NOx sensor characterized in that a NOx concentration existing in a gas to be measured is obtained by detecting an electric current. 固体電解質とそれに接して設けられた一対の電極とからなり、該一対の電極のうちの一つが、被測定ガスの導入される第一の内部空所に配されている第一の電気化学的ポンプセルと、固定電解質とそれに接して設けられた一対の電極とからなり、該一対の電極のうちの一つが、NOx測定用の第二の内部空所に配されている第二の電気化学的ポンプセルを有し、該第二の電気化学的ポンプセルの前記第二の内部空所に配された電極のNOx還元力が、前記第一の内部空所に配された電極のNOx還元力よりも強くなるように構成して、該第一の電気化学的ポンプセルにて前記第一の内部空所内の酸素濃度を調整する一方、該第二の電気化学的ポンプセルにて前記第二の内部空所内のNOx濃度を検出するようにしたことを特徴とするNOxセンサ。

A first electrochemical cell comprising a solid electrolyte and a pair of electrodes provided in contact therewith, wherein one of the pair of electrodes is disposed in a first internal space into which a gas to be measured is introduced. A second electrochemical cell comprising a pump cell, a stationary electrolyte and a pair of electrodes provided in contact therewith, one of the pair of electrodes being disposed in a second internal space for NOx measurement A NOx reducing power of an electrode disposed in the second internal space of the second electrochemical pumping cell than a NOx reducing power of an electrode disposed in the first internal space. The first electrochemical pump cell adjusts the oxygen concentration in the first internal cavity while the second electrochemical pump cell adjusts the oxygen concentration in the second internal cavity. NOx concentration characterized by detecting the NOx concentration of Support.

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Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007108018A (en) * 2005-10-13 2007-04-26 Energy Support Corp Calibration method of gas analyzer
JP2010048596A (en) * 2008-08-20 2010-03-04 Nippon Soken Inc Ammonia detecting element and ammonia sensor equipped with the same
JP2010256127A (en) * 2009-04-23 2010-11-11 Toyota Motor Corp Gas concentration detector
JP2012098068A (en) * 2010-10-29 2012-05-24 Kyocera Corp Nitrogen oxide sensor element and nitrogen oxide detection method
JP2014162746A (en) * 2013-02-25 2014-09-08 Ube Ind Ltd Method and apparatus for producing dialkyl carbonate and dialkyl oxalate
JP2020008559A (en) * 2018-07-02 2020-01-16 日本碍子株式会社 Gas sensor and sensor element
JP2020153931A (en) * 2019-03-22 2020-09-24 日本碍子株式会社 Gas sensor, specific gas density detection method and sensor element

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6655522B2 (en) 2016-09-30 2020-02-26 日本碍子株式会社 Gas sensor, catalyst diagnosis system, and catalyst diagnosis method
JP6737680B2 (en) 2016-10-12 2020-08-12 日本碍子株式会社 Gas sensor

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007108018A (en) * 2005-10-13 2007-04-26 Energy Support Corp Calibration method of gas analyzer
JP2010048596A (en) * 2008-08-20 2010-03-04 Nippon Soken Inc Ammonia detecting element and ammonia sensor equipped with the same
JP2010256127A (en) * 2009-04-23 2010-11-11 Toyota Motor Corp Gas concentration detector
JP2012098068A (en) * 2010-10-29 2012-05-24 Kyocera Corp Nitrogen oxide sensor element and nitrogen oxide detection method
JP2014162746A (en) * 2013-02-25 2014-09-08 Ube Ind Ltd Method and apparatus for producing dialkyl carbonate and dialkyl oxalate
JP2020008559A (en) * 2018-07-02 2020-01-16 日本碍子株式会社 Gas sensor and sensor element
JP7261053B2 (en) 2018-07-02 2023-04-19 日本碍子株式会社 Gas sensor and sensor element
JP2020153931A (en) * 2019-03-22 2020-09-24 日本碍子株式会社 Gas sensor, specific gas density detection method and sensor element
JP7137501B2 (en) 2019-03-22 2022-09-14 日本碍子株式会社 Gas sensor, specific gas concentration detection method, and sensor element

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