JP2016070882A - ガスセンサシステム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】第1端子T1及び第2端子T2に導通するセル14、並びに、第2端子T2及び第3端子T3に導通するセル24を有するガスセンサ2と、第1端子T1及び第3端子T3の端子電位V1,V3を検知する検知回路41,43を含むセンサ制御部40とを備えるガスセンサシステム1のセンサ制御部40は、第2端子T2を検査電位Vexとする回路44と、検査電流Ipoc,Icpを流す定電流回路47,48と、ガスセンサ2が活性状態でガス濃度を検知するよりも前に、第2端子T2を検査電位Vexとし、セル14,24に検査電流Ipoc,Icpを流している状態で、検知回路41,43を用いて、端子電位V1,V3を検知する端子電位検知手段S5と、検知した端子電位V1,V3に基づいて、ガスセンサ2の断線異常の有無及び発生箇所を判定する断線判定手段S6,S10とを備える。
【選択図】図2
Description
例えば、特許文献1には、3つのセルを有するNOxセンサにおいて、第2酸素ポンプセルに印加する基準電圧を変化させたときに検出されるポンプ電流の変化を利用して、断線が発生しているか否かを判定する断線判定手段を備えるセンサ制御装置が開示されている。
このようにすると、ガスセンサが既に活性化している場合のほか、ガスセンサの活性化途中の段階であっても、酸素ポンプセル及び酸素濃度検知セルに酸素イオン伝導性が発現し、内部抵抗が低下すれば、第1端子電位及び第3端子電位は、各端子に繋がる配線の断線の有無によって異なる電位を示す。
いずれの配線にも断線異常が無い場合、第1検査電流及び第2検査電流を流すと、第1端子電位及び第3端子電位は、理論上、検査電位に酸素ポンプセル及び酸素濃度検知セルの内部抵抗による電圧降下と酸素濃淡電池の起電力を加えた電位となる。但し、酸素ポンプセル及び酸素濃度検知セルに酸素イオン伝導性が発現していない場合、または、酸素イオン伝導性が発現しても、内部抵抗が大きい場合には、第1定電流回路及び第2定電流回路の最大出力電圧で制限される。
一方、酸素ポンプセル及び酸素濃度検知セルが昇温し、酸素イオン伝導性が発現して、内部抵抗が低下すれば、第1端子電位及び第3端子電位は、第1定電流回路及び第2定電流回路の最大出力電圧を下回るようになり、理論通り、検査電位に内部抵抗による電圧降下と酸素濃淡電池の起電力を加えた電位を示す。
これにより、このガスセンサシステムでは、ガスセンサの活性化後のみならず、ガスセンサの活性化途中の段階でも、断線異常の有無及び発生箇所を適切に診断することができる。
また、断線異常の診断が可能となる以前から、第1端子電位及び第3端子電位の検知を開始し、第1端子電位及び第3端子電位のいずれもが、最大出力電圧を下回った場合には、断線無しと判断しても良い。なお、所定時間を経過しても、第1端子電位及び第3端子電位の少なくともいずれかが最大出力電圧のままである場合は、断線有りと判断する。このようにすると、断線異常無しの場合には、所定時間が経過する前に、断線異常無しの診断を下すことができる。
一方、ホットリスタートの場合など、システムの起動直後にガスセンサが既に活性化している場合には、そのまま断線異常の診断が可能である。
なお、断線状態判定手段による断線異常の具体的な判定手法は、以下の通りである。
この場合、第1検査電流は酸素ポンプセルに流れず、第1定電流回路は最大出力電圧、例えば、制御用電源の電源電圧にほぼ等しい電圧を出力したままとなる。そして、これが第1端子電位として検知される。
一方、第3端子電位は、酸素濃度検知セルに酸素イオン伝導性が発現し、酸素濃度検知セルの内部抵抗が低下すると、第2定電流回路の最大出力電圧よりも低い、検査電位に酸素濃度検知セルの内部抵抗による電圧降下と酸素濃淡電池の起電力を加えた電位(第2範囲内の電位)となる。
従って、第3端子電位が第2範囲内の電位である一方、第1端子電位が第1範囲よりも高い電位である場合には、第1断線状態であることが判る。
この場合、第2検査電流は酸素濃度検知セルに流れず、第2定電流回路は最大出力電圧、例えば、制御用電源の電源電圧にほぼ等しい電圧を出力したままとなり、これが第3端子電位として検知される。一方、第1端子電位は、酸素ポンプセルに酸素イオン伝導性が発現し、内部抵抗が低下すると、第1定電流回路の最大出力電圧よりも低い、検査電位に酸素ポンプセルの内部抵抗による電圧降下と酸素濃淡電池の起電力を加えた電位(第1範囲内の電位)となる。
従って、第1端子電位が第1範囲内の電位である一方、第3端子電位が第2範囲よりも高い電位である場合には、第3断線状態であることが判る。
この場合、第2配線が断線して、酸素ポンプセル及び酸素濃度検知セルの第2端子との接続先が検査電位に固定されていないため、第1検査電流及び第2検査電流を流そうとすると、第1定電流回路及び第2定電流回路のいずれもが、最大出力電圧を出力したままとなり、これが第1端子電位及び第3端子電位として検知される。
従って、酸素ポンプセル及び酸素濃度検知セルに酸素イオン伝導性が発現し、内部抵抗が低下した状態で、第1端子電位が第1範囲よりも高い電位であり、かつ、第3端子電位が第2範囲よりも高い電位である場合には、第2端子に繋がる第2配線が断線していることが判る。
このガスセンサシステム1は、車両(図示しない)の内燃機関ENG(エンジン)の排気管EPに装着されるガスセンサ2と、これを制御するセンサ制御部40を備える。
なお、ガスセンサ2は、排気ガスEG(被測定ガス)中の特定ガス濃度として、酸素濃度(空燃比)をリニアに検知して、内燃機関における空燃比フィードバック制御に用いる空燃比センサ(全領域空燃比センサ)である。このガスセンサ2は、図2に示すように、酸素濃度を検知するセンサ素子部3、及びセンサ素子部3を加熱するヒータ部80を有する。
センサ制御部40は、このガスセンサ2に接続され、これを制御する。また、ガスセンサシステム1は、接続バス101を介して、車両のCANバス102に接続され、ECU100との間でデータの送受信が可能とされている。センサ制御部40は、ASIC(Application Specific IC)により構成されており、ガスセンサ2のセンサ素子部3を制御する回路のほか、デジタルシグナルプロセッサ30と、ヒータ部80を制御するヒータ部制御回路70とを備えている。
同様に、酸素濃度検知セル24は、板状でジルコニアを主体とした酸素イオン伝導性を有する固体電解質体からなる電解質層24cを基体とし、その両面に多孔質の白金を主体とする一対の電極22,28(多孔質電極)が形成されている。具体的には、電解質層24cの一方の面(図中、下方)である外面24Eに第1検知電極28が、他方の面(図中、上方)である内面24Iに第2検知電極22が、それぞれ形成されている。
A/Dコンバータ41は、第1端子T1の第1端子電位V1を検知し、これをA/D変換して、プロセッサ30に入力する。同様に、A/Dコンバータ42は、第2端子T2の第2端子電位V2を検知し、これをA/D変換して、プロセッサ30に入力する。また、A/Dコンバータ43は、第3端子T3の第3端子電位V3を検知し、これをA/D変換して、プロセッサ30に入力する。
なお、A/Dコンバータ41,42,43は、後述するポンプ電流IpのPID制御に用いられるほか、後述するように、ガスセンサ2の断線異常や短絡異常の診断を行う際にも用いられる。
さらに、第2端子T2と第3端子T3との間には、第2抵抗器R2及び第2スイッチSW2からなる第2回路46が接続されている。第2抵抗器R2の抵抗値は1kΩであり、第2スイッチSW2は、第2端子T2と第3端子T3との間の第2抵抗器R2を介した接続を断続する。
これら第1回路45及び第2回路46は、ガスセンサ2の短絡異常の診断に用いる回路であり、ガスセンサ2の短絡異常の診断を行う際に、第1スイッチSW1及び第2スイッチSW2をオンにする。一方、ガスセンサ2の断線異常の診断時や、ガスセンサ2の通常の使用時は、第1スイッチSW1及び第2スイッチSW2をオフにする。なお、第1回路45及び第2回路46を用いた、短絡異常の診断については、説明を省略する。
さらに、第2端子T2には、第4スイッチSW4を介して、+2.5Vの基準電位Vrefを出力する基準電位回路としてのオペアンプ44の出力が接続している。第4スイッチSW4は、オペアンプ44から第2端子T2への基準電位Vrefの印加をオンオフする。
また、第3端子T3には、第5スイッチSW5を介して、プロセッサ30からの指示で酸素濃度検知セル24に一定の微小電流Icp(=20μA)や、内部抵抗を検知するための電流を流すD/Aコンバータ(電流DAC)48の出力が接続している。第5スイッチSW5は、電流DAC48から第3端子T3を通じて酸素濃度検知セル24へ流す微小電流Icpなどをオンオフする。
なお、ガスセンサ2の通常の使用時や、ガスセンサ2の断線異常の診断を行う際には、第3スイッチSW3〜第5スイッチSW5をオンにするが、初期設定後や、ガスセンサ2の短絡異常や断線異常を検知した場合には、第3スイッチSW3〜第5スイッチSW5をオフにする。
さらに、プロセッサ30は、酸素濃度検知セル24にこのような一定の微小電流Icpを流しつつ、酸素濃度検知セル24の両端に発生する検知セル電圧Vs(A/Dコンバータ43で検知する第3端子電位V3とA/Dコンバータ42で検知する第2端子電位V2との差)が所定の電圧になるように、酸素ポンプセル14に流すポンプ電流Ipを制御する、いわゆるデジタル方式によるPID制御を行う。これにより、多孔質層18を通じて測定室20に導入された排気ガスEG中の酸素の汲み入れ及び汲み出しが行われる。
なお、プロセッサ30によるポンプ電流Ipのデジタル方式のPID制御や、ヒータ部80のPWM制御の詳細については、説明を省略する。
図4は、ガスセンサシステム1の全体の処理の流れを示すフローチャートである。この図4に示すように、このガスセンサシステム1では、システム1が起動されると、まず短絡異常の診断(ステップSA)を行う。次いで、ヒータ部80への通電開始を含む断線異常の診断(ステップSB)を行い、さらに、活性待ちの処理(ステップSC)を行った後に、活性状態における酸素濃度の検知処理(ステップSD)に移行する。
ここでは、ガスセンサ2の短絡異常の診断(図4のステップSA)については説明を省略し、センサ制御部40によるガスセンサ2の断線異常の診断(図4のステップSB)について、図2のほか、図5及び図6のプロセッサ30の処理動作を示すフローチャートを参照して説明する。
ステップS1では、第1スイッチSW1及び第2スイッチSW2をオフし、第3スイッチSW3〜第5スイッチSW5をオンする。なお、第4スイッチSW4をオンすることにより、オペアンプ44から第2端子T2に検査電位Vexとして、+2.5Vの基準電位Vrefが印加される(検査電位Vex=+2.5V(=基準電位Vref))。
次いで、ステップS3では、電流DAC47から第1端子T1を通じて酸素ポンプセル14に、ポンプ電流Ipとは異なる微小な第1検査電流Ipoc(=20μA)を流す。
さらに、続くステップS4では、電流DAC48から第3端子T3を通じて酸素濃度検知セル24に、前述した一定の微小電流Icpと同じ大きさの第2検査電流Icp(=20μA)を流す(第2検査電流Icp=微小電流Icp)。なお、上述の第1検査電流Ipocは、第2検査電流Icp(=微小電流Icp)と同じ大きさにしてある。
次いで、ステップS6では、ステップS5で検知した第1端子電位V1が、電流DAC47の最大出力電圧V1max(=+5V)よりも低い+4.3V(=第1しきい電位V1th)以下で、検査電位Vex(=+2.5V)以上の範囲(第1範囲:Vex≦V1≦+4.3V)内の電位であり、かつ、ステップS5で検知した第3端子電位V3が、電流DAC48の最大出力電圧V3max(=+5V)よりも低い+4.3V(=第2しきい電位V3th)以下で、検査電位Vex(=+2.5V)以上の範囲(第2範囲:Vex≦V3≦+4.3V)内の電位であるか否かを判別する。
同様に、第3端子電位V3が上述の第2範囲(Vex≦V3≦+4.3V)内の電位であるということは、いずれの配線にも断線異常が無いことを示す。加えて、酸素濃度検知セル24に酸素イオン伝導性が発現し、内部抵抗が低下した状態で、第3端子電位V3が、電流DAC48の最大出力電圧V3max(=+5V)を下回り、検査電位Vexに、酸素濃度検知セル24の内部抵抗に第2検査電流Icpを流したことによる電圧降下と酸素濃度検知セル24に生じた起電力とを加えた電位となっていることを示す。
一方、ステップS6で、第1端子電位V1が第1範囲内の電位であり、かつ、第3端子電位V3が第2範囲内の電位であると判別されない場合(No)には、ステップS7に進む。
そして、ステップS6でYesとならないまま、所定時間TMが経過した場合(ステップS7でYes)には、ガスセンサ2に断線異常が有るとして、ステップS8に進む。
断線異常が有る場合、即ち、第1配線L1〜第3配線L3のいずれかが断線している場合には、第1検査電流Ipoc及び/または第2検査電流Icpが流れないため、電流DAC47及び/または電流DAC48が最大出力電圧V1max,V3maxを出力したままとなり、第1端子電位V1及び/または第3端子電位V3が、この最大出力電圧V1max,V3maxとなるからである。
さらに、ステップS10に進み、図6に示す断線状態判定ルーチン(次述する)を実行する。なお、この断線状態判定ルーチンでは、ステップS5で検知した最新の第1端子電位V1及び第3端子電位V3を用いて、断線異常の発生箇所を判定する。
そして、断線状態判定ルーチンの実行が終了すると、ステップS11で、ECU100に異常内容(断線状態の判定結果)を報告する。その後、活性待ち処理(図4のステップSC)には進まず、プロセッサ30の処理を終了する(システム終了)。
この断線状態判定ルーチンでは、まず、ステップS101で、第1端子電位V1が+4.3V(=第1しきい電位V1th)よりも大きいか否かを判別する。第1端子電位V1が+4.3Vよりも大きい場合(Yes)は、ステップS105に進み、それ以外、即ち、第1端子電位V1が+4.3V以下の場合(No)は、ステップS102に進む。
第3断線状態の場合には、第3端子T3を通じて酸素濃度検知セル24に第2検査電流Icpが流れないため、電流DAC48が、最大出力電圧V3maxを出力したままとなるからである。
第1断線状態の場合には、第1端子T1を通じて酸素ポンプセル14に第1検査電流Ipocが流れないため、電流DAC47が、最大出力電圧V1maxを出力したままとなるからである。
第2断線状態の場合には、第1検査電流Ipoc及び第2検査電流Icpが流れないため、電流DAC47及び電流DAC48のいずれもが、最大出力電圧V1max,V3maxを出力したままとなるからである。
その後、ステップS104、ステップS106、ステップS108及びステップS109のいずれの場合も、断線状態判定ルーチンを終了して、図5のステップS11に進み、ECU100に異常内容(断線状態の判定結果)を報告する。
このようにすると、ガスセンサ2が既に活性化している場合のほか、ガスセンサ2の活性化途中の段階であっても、酸素ポンプセル14及び酸素濃度検知セル24に酸素イオン伝導性が発現し、内部抵抗が低下すれば、第1端子電位V1及び第3端子電位V3は、各端子についての断線異常の有無によって異なる電位を示す。
そこで、このガスセンサシステム1では、上述の状態で、第1端子電位V1及び第3端子電位V3を検知し、これらの電位に基づいて、第1端子T1、第2端子T2及び第3端子T3の断線異常の有無及び発生箇所を診断する。
これにより、このガスセンサシステム1では、ガスセンサ2の活性化後のみならず、ガスセンサ2の活性化途中の段階でも、断線異常の有無及び発生箇所を適切に診断することができる。
そして、断線状態判定手段(ステップS10、即ち、図6に示す断線状態判定ルーチン)では、第1端子電位V1及び第3端子電位V3に基づいて、3通りの断線状態を適切に判定することができる(ステップS104,S106,S108)。
例えば、実施形態では、ガスセンサ2として、排気ガスEG中の酸素濃度(空燃比)を検知する空燃比センサ(全領域空燃比センサ)を用いたが、「ガスセンサ」は、空燃比センサに限られず、特定ガス濃度として、窒素酸化物(NOx)の濃度を検知するNOxセンサなどであっても良い。
また、センサ制御部40は、ECU100に内蔵される形態で設けられても良い。
しかし、アナログのPID回路を含むASICと、別途設けたマイクロプロセッサとで構成したセンサ制御部を備え、PID制御をアナログ方式により行うガスセンサシステムに本発明を適用しても良い。
EP 排気管
EG 排気ガス(被測定ガス)
100 ECU
1 ガスセンサシステム
2 ガスセンサ
3 センサ素子部
14 酸素ポンプセル
12 第1ポンプ電極
16 第2ポンプ電極
24 酸素濃度検知セル
28 第1検知電極
22 第2検知電極
20 測定室
26 基準酸素室
80 ヒータ部
Ip ポンプ電流
Ipoc 第1検査電流
Icp 第2検査電流,微小電流(定電流)
T1 第1端子
T2 第2端子
T3 第3端子
L1 第1配線
L2 第2配線
L3 第3配線
V1 第1端子電位
V2 第2端子電位
V3 第3端子電位
Vref 基準電位
Vex 検査電位
30 デジタルシグナルプロセッサ
40 センサ制御部
41 A/Dコンバータ(第1端子電位検知回路)
42 A/Dコンバータ
43 A/Dコンバータ(第3端子電位検知回路)
44 オペアンプ(検査電位回路,基準電位回路)
45 第1回路
R1 第1抵抗器
SW1 第1スイッチ
46 第2回路
R2 第2抵抗器
SW2 第2スイッチ
47 D/Aコンバータ(第1定電流回路,ポンプ電流出力回路)
48 D/Aコンバータ(第2定電流回路,定電流出力回路)
SW3 第3スイッチ(ポンプ電流スイッチ)
SW4 第4スイッチ(検査電位スイッチ,基準電位スイッチ)
SW5 第5スイッチ(検知セル電流スイッチ)
S5 端子電位検知手段
S6,S7 非断線判定手段(断線診断手段)
S10 断線状態判定手段(断線診断手段)
S8 第1遮断手段,第2遮断手段,第3遮断手段
Claims (11)
- 第1端子及び第2端子に電気的に導通する酸素ポンプセル、並びに、上記第2端子及び第3端子に電気的に導通する酸素濃度検知セルを有し、被測定ガス中の特定ガス濃度を検知するガスセンサと、
上記第1端子の第1端子電位を検知する第1端子電位検知回路、及び、
上記第3端子の第3端子電位を検知する第3端子電位検知回路を含み、
上記第1端子、上記第2端子及び上記第3端子を通じて上記ガスセンサを制御するセンサ制御部と、を備える
ガスセンサシステムであって、
上記センサ制御部は、
上記第2端子を所定の検査電位とする検査電位回路と、
上記第1端子を通じて上記酸素ポンプセルに所定の第1検査電流を流す第1定電流回路と、
上記第3端子を通じて上記酸素濃度検知セルに所定の第2検査電流を流す第2定電流回路と、
上記ガスセンサが活性状態で上記被測定ガス中の上記特定ガス濃度を検知するよりも前に、上記検査電位回路により上記第2端子を上記検査電位とし、上記第1定電流回路から上記第1端子を通じて上記酸素ポンプセルに上記第1検査電流を流し、かつ、上記第2定電流回路から上記第3端子を通じて上記酸素濃度検知セルに上記第2検査電流を流している状態で、上記第1端子電位検知回路及び上記第3端子電位検知回路を用いて、上記第1端子電位及び上記第3端子電位を検知する端子電位検知手段と、
検知した上記第1端子電位及び上記第3端子電位に基づいて、上記ガスセンサの断線異常の有無及び発生箇所を診断する断線診断手段と、を備える
ガスセンサシステム。 - 請求項1に記載のガスセンサシステムであって、
前記断線診断手段は、
前記酸素ポンプセルと前記第1端子とを繋ぐ第1配線、上記酸素ポンプセル及び前記酸素濃度検知セルと前記第2端子とを繋ぐ第2配線及び、上記酸素濃度検知セルと前記第3端子とを繋ぐ第3配線のいずれも断線していない非断線状態と、
上記第1配線が断線している第1断線状態と、
上記第2配線が断線している第2断線状態と、
上記第3配線が断線している第3断線状態とを、
前記第1端子電位及び前記第3端子電位に基づいて判別する
ガスセンサシステム。 - 請求項2に記載のガスセンサシステムであって、
前記断線診断手段は、
前記第1端子電位が、前記第1定電流回路の最大出力電圧よりも低い第1しきい電位以下で、前記検査電位以上の第1範囲内の電位であり、かつ、
前記第3端子電位が、前記第2定電流回路の最大出力電圧よりも低い第2しきい電位以下で、上記検査電位以上の第2範囲内の電位であるときに、
前記非断線状態であると判定する非断線判定手段を含む
ガスセンサシステム。 - 請求項3に記載のガスセンサシステムであって、
前記断線診断手段は、
前記非断線判定手段で前記非断線状態でないと判定された場合に、前記第1端子電位及び前記第3端子電位に基づいて、前記第1断線状態、前記第2断線状態、及び前記第3断線状態のいずれであるかを判定する断線状態判定手段を含む
ガスセンサシステム。 - 請求項4に記載のガスセンサシステムであって、
前記断線状態判定手段は、
前記第3端子電位が前記第2範囲内の電位である一方、前記第1端子電位が前記第1範囲よりも高い電位である場合に、前記第1断線状態であると判定し、
上記第1端子電位が上記第1範囲よりも高い電位であり、かつ、上記第3端子電位が上記第2範囲よりも高い電位である場合に、前記第2断線状態であると判定し、
上記第1端子電位が上記第1範囲内の電位である一方、上記第3端子電位が上記第2範囲よりも高い電位である場合に、前記第3断線状態であると判定する
ガスセンサシステム。 - 請求項1〜請求項5のいずれか一項に記載のガスセンサシステムであって、
前記ガスセンサは、
前記被測定ガスが導入される測定室、及び、基準酸素雰囲気とされる基準酸素室を内部に有し、
前記酸素濃度検知セルは、
上記基準酸素室に面し前記第3端子に導通する第1検知電極、及び、上記測定室に露出し前記第2端子に導通する第2検知電極を有し、
前記第2定電流回路は、
上記第3端子を通じて上記酸素濃度検知セルに、上記基準酸素室に酸素を汲み入れる定電流を流す定電流出力回路を兼ねる
ガスセンサシステム。 - 請求項6に記載のガスセンサシステムであって、
前記センサ制御部は、
前記定電流出力回路から前記第3端子を通じて前記酸素濃度検知セルへ流す前記第2検査電流及び前記定電流をオンオフする検知セル電流スイッチと、
前記断線診断手段で断線異常有りと診断された場合に、上記検知セル電流スイッチをオフにする第1遮断手段と、を備える
ガスセンサシステム。 - 請求項1〜請求項7のいずれか一項に記載のガスセンサシステムであって、
前記ガスセンサは、
前記被測定ガスが導入される測定室を内部に有し、
前記酸素ポンプセルは、
上記測定室外に配置されて前記第1端子に導通する第1ポンプ電極、及び、上記測定室に露出し前記第2端子に導通する第2ポンプ電極を有し、
前記第1定電流回路は、
上記測定室から酸素を汲み出しまたは汲み入れるポンプ電流を、上記第1端子を通じて上記酸素ポンプセルに流すポンプ電流出力回路を兼ねる
ガスセンサシステム。 - 請求項8に記載のガスセンサシステムであって、
前記センサ制御部は、
前記ポンプ電流出力回路から前記第1端子を通じて前記酸素ポンプセルへ流す前記第1検査電流及び前記ポンプ電流をオンオフするポンプ電流スイッチと、
前記断線診断手段で断線異常有りと診断された場合に、上記ポンプ電流スイッチをオフにする第2遮断手段と、を備える
ガスセンサシステム。 - 請求項1〜請求項9のいずれか一項に記載のガスセンサシステムであって、
前記検査電位回路は、
前記ガスセンサの活性後に前記第2端子に基準電位を印加する基準電位回路を兼ねる
ガスセンサシステム。 - 請求項10に記載のガスセンサシステムであって、
前記センサ制御部は、
前記基準電位回路から前記第2端子への前記検査電位及び前記基準電位の印加をオンオフする基準電位スイッチと、
前記断線診断手段で断線異常有りと診断された場合に、上記基準電位スイッチをオフにする第3遮断手段と、を備える
ガスセンサシステム。
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