JP2023044914A - Gas measurement device - Google Patents

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Abstract

To provide a gas measurement device for easily and accurately measuring an ammonia concentration.SOLUTION: A gas measurement device 1 includes a sensor element 100 and a sensor control device 300. The sensor element 100 includes: a first measurement chamber R1 and second measurement chamber R2 to which exhaust gas is introduced; a pump cell 110; a Vs cell 120; and a detection cell 130. The sensor control device 300 includes: a CPU 331 and Vp3 application circuit 323 for applying, to the Vs cell 120, an oxidation voltage Vp31 which causes an ammonia oxidation reaction on a third electrode 122 and a non-oxidation voltage which is smaller than the oxidation voltage and does not cause the ammonia oxidation reaction on the third electrode 122; and the CPU 331 for calculating an ammonia concentration based on the value of a current Ip21 to be output from the detection cell 130 when the oxidation voltage is applied to the Vs cell 120 and the value of a current Ip22 to be output from the detection cell 130 when the non-oxidation voltage is applied to the Vs cell 120.SELECTED DRAWING: Figure 3

Description

本明細書によって開示される技術は、ガス計測装置に関する。 The technology disclosed by this specification relates to a gas measuring device.

例えば、車両から排出される排気ガスには、窒素化合物浄化の副産物として生じるアンモニアが含まれている場合があることが、近年、明らかになってきた。環境保護への関心の高まりから、大気中に排出されるアンモニアは、今後、規制対象になると考えられる。 For example, it has recently become apparent that exhaust gases emitted from vehicles may contain ammonia, which is produced as a by-product of nitrogen compound purification. Due to growing interest in environmental protection, it is believed that ammonia discharged into the atmosphere will be subject to regulation in the future.

排気ガス中の窒素酸化物濃度とアンモニア濃度との双方を計測できるガスセンサが提案されている(特許文献1参照)。このガスセンサは、被測定ガスが導入されるガス導入口に連通する予備調整室と、第2拡散律速部を介して予備調整室に連通する酸素濃度調整室と、第3拡散律速部を介して酸素濃度調整室に連通する測定室と、予備ポンプセルと、主ポンプセルと、測定用ポンプセルとを備えている。 A gas sensor capable of measuring both the concentration of nitrogen oxides and the concentration of ammonia in exhaust gas has been proposed (see Patent Document 1). This gas sensor includes a preliminary adjustment chamber communicating with a gas introduction port into which a gas to be measured is introduced, an oxygen concentration adjustment chamber communicating with the preliminary adjustment chamber via a second diffusion rate controlling section, and a third diffusion rate controlling section. It has a measurement chamber communicating with the oxygen concentration adjustment chamber, a backup pump cell, a main pump cell, and a measurement pump cell.

予備ポンプセルは、予備調整室に面する予備ポンプ電極と、外部空間に露出する外部ポンプ電極と、固体電解質層とによって構成される。予備ポンプセルが作動すると、外部空間と予備ポンプ室との間で酸素の汲み入れ、汲み出しが行われることで予備調整室内の雰囲気中の酸素濃度が調整されるとともに、予備ポンプ電極上でアンモニアの酸化反応が起こり、アンモニアが一酸化窒素に変換される。主ポンプセルは、酸素濃度調整室に面する主内側ポンプ電極と、外部空間に露出する外部ポンプ電極と、固体電解質層とによって構成される。主ポンプセルが作動すると、外部空間と酸素濃度ポンプ室との間で酸素の汲み入れ、汲み出しが行われることで酸素濃度調整室内の雰囲気中の酸素濃度が調整されるとともに、主内側ポンプ電極上でアンモニアの酸化反応が起こり、アンモニアが一酸化窒素に変換される。測定用ポンプセルは、測定室に面する測定電極と、基準電極と、固体電解質層とによって構成される。測定用ポンプセルが作動すると、測定電極上で一酸化窒素が分解され、発生した酸素が汲み出されるとともに、その発生量に応じた測定ポンプ電流がセンサ出力として出力される。 The preliminary pump cell is composed of a preliminary pump electrode facing the preliminary adjustment chamber, an external pump electrode exposed to the external space, and a solid electrolyte layer. When the preliminary pump cell operates, oxygen is pumped in and out between the external space and the preliminary pump chamber, thereby adjusting the oxygen concentration in the atmosphere in the preliminary conditioning chamber and oxidizing ammonia on the preliminary pump electrode. A reaction occurs and ammonia is converted to nitric oxide. The main pump cell is composed of a main inner pump electrode facing the oxygen concentration adjusting chamber, an outer pump electrode exposed to the outer space, and a solid electrolyte layer. When the main pump cell operates, oxygen is pumped in and out between the outer space and the oxygen concentration pump chamber, thereby adjusting the oxygen concentration in the atmosphere in the oxygen concentration adjustment chamber and increasing the oxygen concentration on the main inner pump electrode. An oxidation reaction of ammonia occurs and ammonia is converted to nitric oxide. The measuring pump cell consists of a measuring electrode facing the measuring chamber, a reference electrode and a solid electrolyte layer. When the measuring pump cell is activated, nitric oxide is decomposed on the measuring electrode, the generated oxygen is pumped out, and a measuring pump current corresponding to the generated amount is output as a sensor output.

予備ポンプセルが駆動されている状態では、被測定ガスに含まれているアンモニアは、予備酸素室で酸化され、一酸化窒素に変換されて第2拡散律速部を通過する。予備ポンプセルが停止されている状態では、被測定ガスに含まれているアンモニアは酸化されることなくそのまま第2拡散律速部を通過する。一酸化窒素とアンモニアとは互いに異なる拡散係数を持つため、第2拡散律速部を一酸化窒素として通過するか、アンモニアとして通過するかの違いは、測定室に流れ込む一酸化窒素量の違いに相当し、測定用ポンプセルに流れる測定ポンプ電流を変化させる。したがって、予備ポンプセルの駆動時の測定ポンプ電流と、予備ポンプセルの停止時の測定ポンプ電流との差分に基づいて、窒素酸化物とアンモニアの濃度をそれぞれ算出することができる。 While the preliminary pump cell is being driven, ammonia contained in the gas to be measured is oxidized in the preliminary oxygen chamber, converted to nitrogen monoxide, and passed through the second diffusion control section. When the preliminary pump cell is stopped, the ammonia contained in the gas to be measured passes through the second diffusion control section as it is without being oxidized. Since nitrogen monoxide and ammonia have different diffusion coefficients, the difference in whether they pass through the second diffusion control section as nitrogen monoxide or as ammonia corresponds to the difference in the amount of nitrogen monoxide flowing into the measurement chamber. to change the measurement pump current flowing through the measurement pump cell. Therefore, the concentrations of nitrogen oxides and ammonia can be calculated based on the difference between the measured pump current when the standby pump cell is driven and the measured pump current when the standby pump cell is stopped.

国際公開第2017/222002号公報International Publication No. 2017/222002

上記の構成では、予備ポンプセルの作動時において、予備酸素室内でアンモニアの酸化反応が生じる。しかし、予備酸素室は被測定ガスが直接流入する最も上流の部屋であるため、酸素濃度が変動しやすく、アンモニアの酸化反応のばらつきが起こりやすい。このため、精度よくアンモニアの濃度を計測するためには、さらなる改良が必要と考えられた。 In the above configuration, an oxidation reaction of ammonia occurs in the preliminary oxygen chamber during operation of the preliminary pump cell. However, since the preliminary oxygen chamber is the most upstream chamber into which the gas to be measured directly flows, the oxygen concentration tends to fluctuate, and the ammonia oxidation reaction tends to vary. Therefore, further improvement was considered necessary to measure the concentration of ammonia with high accuracy.

本明細書によって開示されるガス計測装置は、センサ素子と、前記センサ素子を制御する制御部とを備えてアンモニアを含む計測対象ガス中の前記アンモニアの濃度を計測するガス計測装置であって、前記センサ素子が、前記計測対象ガスが導入される被測定ガス空間と、第1固体電解質体と、前記第1固体電解質体の表面に設けられて前記被測定ガス空間の内部に配される第1電極と、前記第1固体電解質体の表面に設けられて前記被測定ガス空間の外部に配される第2電極と、を備え、前記被測定ガス空間の内部と外部との間で酸素の汲み出し又は汲み入れを行うポンプセルと、第2固体電解質体と、前記第2固体電解質体の表面に設けられて前記被測定ガス空間の内部に配される第3電極と、前記第2固体電解質体の表面に設けられて前記第3電極と対となる第4電極とを備え、前記ポンプセルよりも下流に位置するアンモニア酸化セルと、第3固体電解質体と、前記第3固体電解質体の表面に設けられて前記被測定ガス空間の内部に配される第5電極と、前記第3固体電解質体の表面に設けられて前記第5電極と対となる第6電極とを備え、前記ポンプセルによって酸素濃度が調整され、前記第3電極上を通過した後の前記計測対象ガス中の窒素酸化物の濃度に対応した電流値を出力する検知セルと、を備え、前記制御部が、前記アンモニア酸化セルに、前記第3電極上で前記アンモニアの酸化反応を生じさせる酸化電圧と、前記酸化電圧よりも小さく、前記第3電極上で前記アンモニアの酸化反応を生じさせない非酸化電圧とを印加する電圧印加部と、前記アンモニア酸化セルに前記酸化電圧が印加されている状態で前記検知セルから出力される第1電流値と、前記アンモニア酸化セルに前記非酸化電圧が印加されている状態で前記検知セルから出力される第2電流値と、に基づいて前記アンモニアの濃度を算出する濃度算出部と、を備える。 A gas measuring device disclosed in the present specification is a gas measuring device that includes a sensor element and a control unit that controls the sensor element, and measures the concentration of ammonia in a measurement target gas containing ammonia, The sensor element comprises a gas space to be measured into which the gas to be measured is introduced, a first solid electrolyte body, and a first solid electrolyte body provided on the surface of the first solid electrolyte body and arranged inside the gas space to be measured. and a second electrode provided on the surface of the first solid electrolyte body and arranged outside the gas space to be measured. a pump cell for pumping or pumping, a second solid electrolyte body, a third electrode provided on the surface of the second solid electrolyte body and arranged inside the gas space to be measured, and the second solid electrolyte body an ammonia oxidation cell located downstream of the pump cell, a third solid electrolyte body, and a fourth electrode paired with the third electrode provided on the surface of a fifth electrode provided inside the gas space to be measured; and a sixth electrode provided on the surface of the third solid electrolyte body and paired with the fifth electrode. a detection cell whose concentration is adjusted and which outputs a current value corresponding to the concentration of nitrogen oxides in the gas to be measured after passing over the third electrode, wherein the control unit controls the ammonia oxidation cell and applying an oxidation voltage that causes an oxidation reaction of the ammonia on the third electrode and a non-oxidation voltage that is lower than the oxidation voltage and does not cause an oxidation reaction of the ammonia on the third electrode. a first current value output from the detection cell while the oxidation voltage is applied to the ammonia oxidation cell; and the detection cell while the non-oxidation voltage is applied to the ammonia oxidation cell. and a concentration calculation unit that calculates the concentration of the ammonia based on a second current value output from the.

本明細書によって開示されるガス計測装置によれば、アンモニアの濃度を容易に、かつ、精度よく計測できる。 According to the gas measuring device disclosed by this specification, the concentration of ammonia can be measured easily and accurately.

図1は、実施形態のガスセンサの断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view of the gas sensor of the embodiment. 図2は、実施形態のセンサ素子の構成、およびNOx計測モード時のセンサ制御装置の構成を示すブロック図付き断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view with a block diagram showing the configuration of the sensor element of the embodiment and the configuration of the sensor control device in the NOx measurement mode. 図2は、実施形態のセンサ素子の構成、およびアンモニア計測モード時のセンサ制御装置の構成を示すブロック図付き断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view with a block diagram showing the configuration of the sensor element of the embodiment and the configuration of the sensor control device in the ammonia measurement mode. 図4は、実施形態のガス計測装置による処理の流れを示すフローチャートである。FIG. 4 is a flow chart showing the flow of processing by the gas measuring device of the embodiment. 図5は、実施形態におけるアンモニア計測モードによる処理の流れを示すフローチャートである。FIG. 5 is a flow chart showing the flow of processing in the ammonia measurement mode in the embodiment.

[実施形態の概要]
(1)本明細書によって開示されるガス計測装置は、センサ素子と、前記センサ素子を制御する制御部とを備えてアンモニアを含む計測対象ガス中の前記アンモニアの濃度を計測するガス計測装置であって、前記センサ素子が、前記計測対象ガスが導入される被測定ガス空間と、第1固体電解質体と、前記第1固体電解質体の表面に設けられて前記被測定ガス空間の内部に配される第1電極と、前記第1固体電解質体の表面に設けられて前記被測定ガス空間の外部に配される第2電極と、を備え、前記被測定ガス空間の内部と外部との間で酸素の汲み出し又は汲み入れを行うポンプセルと、第2固体電解質体と、前記第2固体電解質体の表面に設けられて前記被測定ガス空間の内部に配される第3電極と、前記第2固体電解質体の表面に設けられて前記第3電極と対となる第4電極とを備え、前記ポンプセルよりも下流に位置するアンモニア酸化セルと、第3固体電解質体と、前記第3固体電解質体の表面に設けられて前記被測定ガス空間の内部に配される第5電極と、前記第3固体電解質体の表面に設けられて前記第5電極と対となる第6電極とを備え、前記ポンプセルによって酸素濃度が調整され、前記第3電極上を通過した後の前記計測対象ガス中の窒素酸化物の濃度に対応した電流値を出力する検知セルと、を備え、前記制御部が、前記アンモニア酸化セルに、前記第3電極上で前記アンモニアの酸化反応を生じさせる酸化電圧と、前記酸化電圧よりも小さく、前記第3電極上で前記アンモニアの酸化反応を生じさせない非酸化電圧とを印加する電圧印加部と、前記アンモニア酸化セルに前記酸化電圧が印加されている状態で前記検知セルから出力される第1電流値と、前記アンモニア酸化セルに前記非酸化電圧が印加されている状態で前記検知セルから出力される第2電流値と、に基づいて前記アンモニアの濃度を算出する濃度算出部と、を備える。
[Overview of embodiment]
(1) A gas measuring device disclosed in the present specification is a gas measuring device that includes a sensor element and a control unit that controls the sensor element, and measures the concentration of ammonia in a measurement target gas containing ammonia. The sensor element comprises a gas space to be measured into which the gas to be measured is introduced, a first solid electrolyte body, and the sensor element provided on the surface of the first solid electrolyte body and arranged inside the gas space to be measured. and a second electrode provided on the surface of the first solid electrolyte body and arranged outside the gas space to be measured, and between the inside and the outside of the gas space to be measured. a second solid electrolyte body; a third electrode provided on the surface of the second solid electrolyte body and arranged inside the gas space to be measured; an ammonia oxidation cell provided on a surface of a solid electrolyte body and paired with the third electrode and positioned downstream of the pump cell; a third solid electrolyte body; and the third solid electrolyte body. and a sixth electrode provided on the surface of the third solid electrolyte body and paired with the fifth electrode, wherein the a detection cell that outputs a current value corresponding to the concentration of nitrogen oxides in the measurement target gas after passing over the third electrode, the oxygen concentration being adjusted by the pump cell; An oxidation voltage that causes an oxidation reaction of the ammonia on the third electrode and a non-oxidation voltage that is lower than the oxidation voltage and does not cause an oxidation reaction of the ammonia on the third electrode is applied to the ammonia oxidation cell. a first current value output from the detection cell while the oxidation voltage is applied to the ammonia oxidation cell; and a voltage application unit where the non-oxidation voltage is applied to the ammonia oxidation cell. and a concentration calculation unit that calculates the concentration of the ammonia based on a second current value output from the detection cell.

アンモニア酸化セルに酸化電圧が印加されている状態では、計測対象ガス中のアンモニアが第3電極上で酸化され、窒素酸化物と酸素とが生じる。したがって、検知セルから出力される第1電流値は、計測対象ガスにもともと含まれている窒素酸化物の濃度と、アンモニアの酸化によって生じた窒素酸化物の濃度との和に対応したものとなる。アンモニア酸化セルに非酸化電圧が印加されている状態では、計測対象ガス中のアンモニアが第3電極上で酸化されない。したがって、検知セルから出力される第2電流値は、計測対象ガスにもともと含まれている窒素酸化物の濃度に対応したものとなる。以上より、第1電流値と第2電流値とに基づいて、計測対象ガス中のアンモニア濃度を容易に、かつ、精度よく算出することができる。 When an oxidation voltage is applied to the ammonia oxidation cell, ammonia in the gas to be measured is oxidized on the third electrode to produce nitrogen oxides and oxygen. Therefore, the first current value output from the detection cell corresponds to the sum of the concentration of nitrogen oxides originally contained in the gas to be measured and the concentration of nitrogen oxides generated by the oxidation of ammonia. . In a state in which a non-oxidizing voltage is applied to the ammonia oxidation cell, ammonia in the gas to be measured is not oxidized on the third electrode. Therefore, the second current value output from the detection cell corresponds to the concentration of nitrogen oxide originally contained in the gas to be measured. As described above, it is possible to easily and accurately calculate the concentration of ammonia in the gas to be measured based on the first current value and the second current value.

(2)上記(1)のガス計測装置において、前記第2電極が、酸素濃度の基準となる基準ガスに晒される基準電極であり、前記制御部が、前記被測定ガス空間内の前記計測対象ガスと前記基準ガスとの酸素濃度の差に対応して前記第1電極と前記第2電極との間に生じる起電力が一定となるように前記第1電極と前記第2電極との間に流れる電流を制御する電流制御部を備えていても構わない。 (2) In the gas measuring device of (1) above, the second electrode is a reference electrode exposed to a reference gas that serves as a reference for oxygen concentration, and the control section controls the measurement target in the gas space to be measured. between the first electrode and the second electrode so that the electromotive force generated between the first electrode and the second electrode is constant corresponding to the difference in oxygen concentration between the gas and the reference gas A current control section for controlling the flowing current may be provided.

このような構成によれば、酸素濃度を検知するためのセルを別途設ける必要がなく、簡易な構成で、計測対象ガス中のアンモニア濃度を精度よく算出することができる。 According to such a configuration, there is no need to separately provide a cell for detecting the oxygen concentration, and the ammonia concentration in the gas to be measured can be accurately calculated with a simple configuration.

[実施形態の詳細]
本明細書によって開示される技術の具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
[Details of embodiment]
A specific example of the technology disclosed in this specification will be described below with reference to the drawings. The present invention is not limited to these exemplifications, but is indicated by the scope of the claims, and is intended to include all modifications within the scope and meaning equivalent to the scope of the claims.

<実施形態>
実施形態を、図1から図5を参照しつつ説明する。本実施形態のガス計測装置1は、自動車のディーゼルエンジンから排出される排気ガス(計測対象ガスの一例)に含まれる窒素酸化物(NOx)を浄化する尿素SCR(Selective Catalytic Reduction:選択触媒還元)システムに用いられるものである。尿素SCRシステムは、アンモニアと窒素酸化物とを化学反応させて、窒素酸化物を窒素に還元することにより、排気ガスに含まれる窒素酸化物を浄化するシステムである。尿素SCRシステムでは、窒素酸化物に対して供給されるアンモニアの量が過剰になると、未反応のアンモニアが排気ガスに含まれたまま外部に放出されるおそれがある。ガス計測装置1は、排気ガスに含まれる窒素酸化物およびアンモニアの濃度を測定する。
<Embodiment>
An embodiment will be described with reference to FIGS. 1 to 5. FIG. The gas measuring device 1 of the present embodiment uses urea SCR (Selective Catalytic Reduction) to purify nitrogen oxides (NOx) contained in exhaust gas (an example of gas to be measured) emitted from a diesel engine of an automobile. It is used in the system. The urea SCR system is a system that purifies nitrogen oxides contained in exhaust gas by chemically reacting ammonia and nitrogen oxides to reduce the nitrogen oxides to nitrogen. In the urea SCR system, if the amount of ammonia supplied to nitrogen oxides becomes excessive, there is a risk that unreacted ammonia contained in the exhaust gas will be released to the outside. The gas measuring device 1 measures the concentrations of nitrogen oxides and ammonia contained in the exhaust gas.

ガス計測装置1は、ガスセンサ10と、ガスセンサ10に接続されるセンサ制御装置300(制御部の一例)とを備える。ガスセンサ10は、ディーゼルエンジンに接続される排気管において、SCR触媒装置の下流側に設置されている。 The gas measuring device 1 includes a gas sensor 10 and a sensor control device 300 (an example of a control section) connected to the gas sensor 10 . The gas sensor 10 is installed downstream of the SCR catalyst device in an exhaust pipe connected to the diesel engine.

[ガスセンサ10の全体構成]
ガスセンサ10は、図1に示すように、センサ素子100、主体金具11、外部プロテクタ12、内部プロテクタ13、外筒14、保持部材18などを備えている。センサ素子100は、軸線AX方向(図1の上下方向)に延びる細長板状をなし、主体金具11の内側に保持されている。なお、以下の説明において、図1の下側を先端側とし、図1の上側を後端側とする。
[Overall Configuration of Gas Sensor 10]
As shown in FIG. 1, the gas sensor 10 includes a sensor element 100, a metallic shell 11, an external protector 12, an internal protector 13, an outer cylinder 14, a holding member 18, and the like. The sensor element 100 is shaped like an elongated plate extending in the direction of the axis AX (vertical direction in FIG. 1) and is held inside the metal shell 11 . In the following description, the lower side of FIG. 1 is the leading end side, and the upper side of FIG. 1 is the rear end side.

主体金具11は、軸線AX方向に貫通する貫通孔11Aを有する筒状部材である。主体金具11は、センサ素子100の先端部を自身の先端側外部に突出させると共に、センサ素子100の後端部を自身の後端側外部に突出させた状態で、センサ素子100を貫通孔11A内に保持している。 The metal shell 11 is a cylindrical member having a through hole 11A penetrating in the direction of the axis AX. The main metal fitting 11 protrudes the front end portion of the sensor element 100 to the outside of its front end side, and projects the rear end portion of the sensor element 100 to the outside of its rear end side. kept within.

主体金具11の貫通孔11Aの内部には、環状のセラミックホルダ15、滑石粉末を環状に充填してなる2つの滑石リング16A、16B、およびセラミックスリーブ17が配置されている。詳細には、センサ素子100の周囲を取り囲む状態で、セラミックホルダ15、滑石リング16A、16B、およびセラミックスリーブ17が、この順に、主体金具11の先端側から後端側にわたって重なって配置されている。 Inside the through hole 11A of the metal shell 11, an annular ceramic holder 15, two talc rings 16A and 16B annularly filled with talc powder, and a ceramic sleeve 17 are arranged. Specifically, the ceramic holder 15, the talc rings 16A and 16B, and the ceramic sleeve 17 are arranged in this order so as to surround the sensor element 100, overlapping from the front end side to the rear end side of the metallic shell 11. .

主体金具11の先端部には、センサ素子100の先端部を覆うように、複数の孔を有する金属製の外部プロテクタ12および内部プロテクタ13が、溶接によって取り付けられている。一方、主体金具11の後端部には、外筒14が溶接によって取り付けられている。外筒14は、軸線AX方向に延びる筒状をなし、センサ素子100の後端部を包囲している。 An outer protector 12 and an inner protector 13 made of metal and having a plurality of holes are attached to the front end of the metal shell 11 by welding so as to cover the front end of the sensor element 100 . On the other hand, an outer cylinder 14 is attached to the rear end portion of the metallic shell 11 by welding. The outer cylinder 14 has a tubular shape extending in the direction of the axis AX and surrounds the rear end of the sensor element 100 .

外筒14の内部には、保持部材18が配置されている。保持部材18は、絶縁性材料(具体的にはアルミナ)からなり、軸線AX方向に貫通する挿入孔18Aを有する筒状部材である。挿入孔18A内には、センサ素子100の後端部と複数の端子部材19とが配置されている。複数の端子部材19は、センサ素子100の表面に設けられている複数の電極端子部のそれぞれが弾性的に当接して電気的に接続されている。複数の端子部材19は、複数のリード線20にそれぞれ接続されている。 A holding member 18 is arranged inside the outer cylinder 14 . The holding member 18 is a tubular member made of an insulating material (specifically, alumina) and having an insertion hole 18A penetrating in the direction of the axis AX. A rear end portion of the sensor element 100 and a plurality of terminal members 19 are arranged in the insertion hole 18A. The plurality of terminal members 19 are electrically connected to each of the plurality of electrode terminal portions provided on the surface of the sensor element 100 in elastic contact therewith. A plurality of terminal members 19 are connected to a plurality of lead wires 20, respectively.

外筒14の後端側の開口部には、フッ素ゴムからなる弾性シール部材21が配置されている。複数のリード線20が、弾性シール部材21を貫通して外部に導出されている。 An elastic sealing member 21 made of fluororubber is arranged in the opening on the rear end side of the outer cylinder 14 . A plurality of lead wires 20 pass through the elastic seal member 21 and are led out to the outside.

[センサ素子100]
センサ素子100は、図2および図3に示すように、ポンプセル110、Vsセル120(アンモニア酸化セルの一例)、検知セル130、第1測定室R1(被測定ガス空間の一例)、第2測定室R2(被測定ガス空間の一例)、基準酸素室R3、およびヒータ170を含む。ポンプセル110、Vsセル120、及び検知セル130は、センサ素子100の内部に設けられた排気ガスの流路の上流側から、この順に配置されている。
[Sensor element 100]
As shown in FIGS. 2 and 3, the sensor element 100 includes a pump cell 110, a Vs cell 120 (an example of an ammonia oxidation cell), a detection cell 130, a first measurement chamber R1 (an example of a gas space to be measured), and a second measurement chamber. It includes chamber R2 (an example of a gas space to be measured), reference oxygen chamber R3, and heater 170. FIG. The pump cell 110 , the Vs cell 120 , and the detection cell 130 are arranged in this order from the upstream side of the exhaust gas flow path provided inside the sensor element 100 .

センサ素子100は、第3緻密層141C、第2緻密層141B、第1緻密層141A、第5絶縁層144、第1絶縁層142、第6絶縁層145、第2絶縁層143、第7絶縁層146、第3絶縁層171、および第4絶縁層172がこの順に積層された構造を有する。第5絶縁層144は、貫通孔H1を有しており、この貫通孔H1の内部には、第1固体電解質体111が埋め込まれている。第6絶縁層145は、貫通孔H2を有しており、この貫通孔H2の内部には、第2固体電解質体121が埋め込まれている。第7絶縁層146は、第3貫通孔H3を有しており、この第3貫通孔H3の内部には、第3固体電解質体131が埋め込まれている。 The sensor element 100 includes a third dense layer 141C, a second dense layer 141B, a first dense layer 141A, a fifth insulating layer 144, a first insulating layer 142, a sixth insulating layer 145, a second insulating layer 143, and a seventh insulating layer. It has a structure in which a layer 146, a third insulating layer 171, and a fourth insulating layer 172 are laminated in this order. The fifth insulating layer 144 has a through hole H1, and the first solid electrolyte body 111 is embedded inside the through hole H1. The sixth insulating layer 145 has a through hole H2, and the second solid electrolyte body 121 is embedded inside the through hole H2. The seventh insulating layer 146 has a third through hole H3, and the third solid electrolyte body 131 is embedded inside the third through hole H3.

第1測定室R1は、第4絶縁層144と第1固体電解質体111とにより構成される層と、第5絶縁層145と第2固体電解質体121とにより構成される層との間に設けられ、第1絶縁層142を貫通する小空間である。第1測定室R1は、ガスの通過が可能な第1拡散抵抗体151によって外部空間と隔てられている。第1拡散抵抗体151は、外部から第1測定室R1への排気ガスの単位時間あたりの流通量を制限する。 The first measurement chamber R1 is provided between a layer composed of the fourth insulating layer 144 and the first solid electrolyte body 111 and a layer composed of the fifth insulating layer 145 and the second solid electrolyte body 121. It is a small space penetrating the first insulating layer 142 . The first measurement chamber R1 is separated from the external space by a first diffusion resistor 151 through which gas can pass. The first diffusion resistor 151 limits the flow rate of the exhaust gas from the outside to the first measurement chamber R1 per unit time.

第2測定室R2は、第4絶縁層144と第1固体電解質体111とにより構成される層と、第7絶縁層146と第3固体電解質体131とにより構成される層との間に設けられた小空間であって、第1絶縁層142と、第5絶縁層145と、第2絶縁層143とを貫通している。第1測定室R1と第2測定室R2とは、ガスの通過が可能な第2拡散抵抗体152によって隔てられている。第2拡散抵抗体152は、第1測定室R1から第2測定室R2への排気ガスの単位時間あたりの流通量を制限する。 The second measurement chamber R2 is provided between a layer composed of the fourth insulating layer 144 and the first solid electrolyte body 111 and a layer composed of the seventh insulating layer 146 and the third solid electrolyte body 131. It is a small space that is separated and penetrates the first insulating layer 142 , the fifth insulating layer 145 and the second insulating layer 143 . The first measurement chamber R1 and the second measurement chamber R2 are separated by a second diffusion resistor 152 through which gas can pass. The second diffusion resistor 152 limits the flow rate of the exhaust gas per unit time from the first measurement chamber R1 to the second measurement chamber R2.

基準酸素室R3は、第5絶縁層145と第2固体電解質体121とにより構成される層と、第7絶縁層146と第3固体電解質体131とにより構成される層との間に設けられた小空間であって、第2絶縁層143を貫通している。基準酸素室R3の内部には、ガスの通過が可能な多孔質体161が配置されている。 The reference oxygen chamber R3 is provided between a layer composed of the fifth insulating layer 145 and the second solid electrolyte body 121 and a layer composed of the seventh insulating layer 146 and the third solid electrolyte body 131. It is a small space that penetrates the second insulating layer 143 . A porous body 161 through which gas can pass is arranged inside the reference oxygen chamber R3.

第2緻密層141Bは、空隙100Gを有している。空隙100Gは、第1緻密層141Aと第3緻密層141Cとの間に設けられ、第2緻密層141Bを貫通する小空間である。第3緻密層141Cは、空隙100Gとセンサ素子100の外部空間とを連通する大気導入口100hを有している。大気導入口100hを通って空隙100G内に、基準ガスとなる大気が導入されるようになっている。第1緻密層141Aは、空隙10Gに連通する貫通孔H4を有しており、この貫通孔H4の内部には、ガスの通過が可能な多孔質体162が充填されている。 The second dense layer 141B has voids 100G. The gap 100G is a small space provided between the first dense layer 141A and the third dense layer 141C and penetrating the second dense layer 141B. The third dense layer 141C has an air inlet 100h that communicates the space 100G and the external space of the sensor element 100 with each other. Air, which serves as a reference gas, is introduced into the gap 100G through the air inlet 100h. The first dense layer 141A has a through hole H4 communicating with the gap 10G, and the inside of the through hole H4 is filled with a porous body 162 through which gas can pass.

ポンプセル110は、第1固体電解質体111と、第1固体電解質体111の表面(図2の下面)に配置された第1電極112と、第1固体電解質体111の他の表面(図2の上面)に配置されて第1電極112と対極となる第2電極113とを備える。第1電極112は、第1測定室R1の内部に配置されており、第2電極113は、第1測定室R1の外部に配置されて、多孔質体162に接している。 The pump cell 110 includes a first solid electrolyte body 111, a first electrode 112 disposed on the surface of the first solid electrolyte body 111 (lower surface in FIG. 2), and the other surface of the first solid electrolyte body 111 (lower surface in FIG. 2). It is provided with a first electrode 112 and a second electrode 113 arranged on the upper surface) and serving as a counter electrode. The first electrode 112 is arranged inside the first measurement chamber R<b>1 , and the second electrode 113 is arranged outside the first measurement chamber R<b>1 and is in contact with the porous body 162 .

Vsセル120は、第2固体電解質体121と、第2固体電解質体121の表面(図2の上面)に配置された第3電極122と、第2固体電解質体121の他の表面(図2の下面)に配置された第4電極123とを備えている。第3電極122は、第1測定室R1の内部に配置されている。第4電極123は、基準酸素室R3の内部に配置されている。第1電極112は、第1測定室R1の内部において、外部からの排気ガスの入口(第1拡散抵抗体151)に近い位置、つまり排気ガスの流路の上流側に配されており、第3電極122は、第1測定室R1の内部において、第1電極112よりも第2拡散抵抗体152に近い位置、つまり、排気ガスの流路の下流側に配置されている。言い換えると、Vsセル120は、ポンプセル110よりも排気ガスの流路の下流側に配置されており、第1拡散抵抗体151を通って外部から導入された排気ガスは、先にポンプセル110の第1電極112に接し、その後にVsセル120の第3電極122に接するようになっている。 The Vs cell 120 includes a second solid electrolyte body 121, a third electrode 122 arranged on the surface of the second solid electrolyte body 121 (the top surface in FIG. 2), and the other surface of the second solid electrolyte body 121 (the top surface in FIG. 2). and a fourth electrode 123 disposed on the lower surface of the . The third electrode 122 is arranged inside the first measurement chamber R1. The fourth electrode 123 is arranged inside the reference oxygen chamber R3. The first electrode 112 is arranged inside the first measurement chamber R1 at a position close to the entrance of the exhaust gas from the outside (the first diffusion resistor 151), that is, on the upstream side of the flow path of the exhaust gas. The three electrodes 122 are arranged in the first measurement chamber R1 at a position closer to the second diffusion resistor 152 than the first electrode 112, that is, at the downstream side of the exhaust gas flow path. In other words, the Vs cell 120 is arranged downstream of the pump cell 110 in the flow path of the exhaust gas, and the exhaust gas introduced from the outside through the first diffusion resistor 151 first passes through the pump cell 110 . It contacts the first electrode 112 and then the third electrode 122 of the Vs cell 120 .

検知セル130は、第3固体電解質体131と、第3固体電解質体131の表面(図2の上面)に配置された第5電極132と、第3固体電解質体131の表面(図2の上面)に配置されて第5電極132と対極となる第6電極133とを備えている。第5電極132は、第2測定室R2の内部に配置されている。第6電極133は、基準酸素室R3の内部に、第4電極123に対向して配置されている。第5電極132は、第3電極122よりも排気ガスの流路の下流側に配置されている。すなわち、検知セル130は、Vsセル120よりも下流側に配置されている。排気ガスは、Vsセル120の第3電極122に接した後、第2拡散抵抗体152を通過して第2測定室R2に導入され、検知セル130の第5電極132に接するようになっている。 The detection cell 130 includes a third solid electrolyte body 131, a fifth electrode 132 arranged on the surface of the third solid electrolyte body 131 (upper surface in FIG. 2), and a surface of the third solid electrolyte body 131 (upper surface in FIG. 2). ) and is provided with a fifth electrode 132 and a sixth electrode 133 serving as a counter electrode. The fifth electrode 132 is arranged inside the second measurement chamber R2. The sixth electrode 133 is arranged facing the fourth electrode 123 inside the reference oxygen chamber R3. The fifth electrode 132 is arranged downstream of the third electrode 122 in the flow path of the exhaust gas. That is, the sensing cell 130 is arranged downstream of the Vs cell 120 . After coming into contact with the third electrode 122 of the Vs cell 120, the exhaust gas passes through the second diffusion resistor 152 and is introduced into the second measurement chamber R2, where it comes into contact with the fifth electrode 132 of the detection cell 130. there is

図2および図3に示されるように、第1電極112、第3電極122、第5電極132はそれぞれ基準電位に接続されている。 As shown in FIGS. 2 and 3, the first electrode 112, the third electrode 122, and the fifth electrode 132 are each connected to a reference potential.

ヒータ170は、第3絶縁層171と、第4絶縁層172と、第3絶縁層171と第4絶縁層172の間に埋設され、通電することで発熱する抵抗発熱体173とを備えている。ヒータ170は、固体電解質体111、121、131が活性化する温度となるように加熱し、固体電解質体111、121、131の酸素イオンの伝導性を高めて動作を安定化させるために用いられる。 The heater 170 includes a third insulating layer 171, a fourth insulating layer 172, and a resistance heating element 173 that is embedded between the third insulating layer 171 and the fourth insulating layer 172 and generates heat when energized. . The heater 170 is used to heat the solid electrolyte bodies 111, 121, and 131 to a temperature at which they are activated and to increase the conductivity of oxygen ions in the solid electrolyte bodies 111, 121, and 131, thereby stabilizing the operation. .

固体電解質体111、121、131は、酸素イオン伝導性を有するジルコニアを主成分とする。絶縁層142、143、144、145、146、171、172、多孔質体161、162、および、拡散抵抗体151、152は、アルミナを主成分とする。電極112、113、122、123、132、133および抵抗発熱体173は、白金を主成分とする。主成分とは、含有量が50質量%以上であることを意味する。 Solid electrolyte bodies 111, 121, and 131 are mainly composed of zirconia having oxygen ion conductivity. The insulating layers 142, 143, 144, 145, 146, 171, 172, the porous bodies 161, 162, and the diffusion resistors 151, 152 are mainly composed of alumina. Electrodes 112, 113, 122, 123, 132, 133 and resistance heating element 173 are mainly composed of platinum. A main component means that the content is 50% by mass or more.

[センサ制御装置300]
次いで、センサ制御装置300の構成の一例について説明する。センサ制御装置300は、図2および図3に示すように、電気回路部310とマイクロコンピュータ330とを備えている。ガスセンサ10は、センサ制御装置300によって、排気ガスに含まれる窒素酸化物を計測するNOx計測モード、および排気ガスに含まれるアンモニアを計測するアンモニア計測モードの2つのモードで制御される。
[Sensor control device 300]
Next, an example of the configuration of the sensor control device 300 will be described. The sensor control device 300 includes an electric circuit section 310 and a microcomputer 330, as shown in FIGS. The gas sensor 10 is controlled by the sensor control device 300 in two modes, a NOx measurement mode for measuring nitrogen oxides contained in the exhaust gas and an ammonia measurement mode for measuring ammonia contained in the exhaust gas.

マイクロコンピュータ330は、センサ制御装置300全体を制御するものであり、CPU(中央演算処理装置)331、RAM332、ROM333、信号入出力部334、A/Dコンバータ335等を備えている。CPU331は、ROM333に格納されたプログラムに基づいて、センサ素子100を制御するための処理を実行する。 The microcomputer 330 controls the entire sensor control device 300, and includes a CPU (Central Processing Unit) 331, a RAM 332, a ROM 333, a signal input/output unit 334, an A/D converter 335, and the like. The CPU 331 executes processing for controlling the sensor element 100 based on programs stored in the ROM 333 .

電気回路部310は、回路基板上に配置されたアナログ回路である。電気回路部310は、図2および図3に示すように、基準電圧比較回路311、Ip1ドライブ回路312、Vs1検知回路313、Icp供給回路314、Ip2検知回路315、Vp2印加回路316、ヒータ駆動回路317、抵抗検知回路318、Ip3検知回路321、Vs2印加・検知回路322、およびVp3印加回路323を備える。基準電圧比較回路311、Icp供給回路314、Ip2検知回路315、Vp2印加回路316、ヒータ駆動回路317、および抵抗検知回路318は、排気ガスに含まれる窒素酸化物を計測するNOx計測モード、および排気ガスに含まれるアンモニアを計測するアンモニア計測モードの双方で使用される。Ip1ドライブ回路312およびVs1検知回路313は、NOx計測モードで使用される。Ip3検知回路321、Vs2印加・検知回路322、およびVp3印加回路323は、アンモニア計測モードで使用される。 The electrical circuit section 310 is an analog circuit arranged on a circuit board. 2 and 3, the electric circuit section 310 includes a reference voltage comparison circuit 311, an Ip1 drive circuit 312, a Vs1 detection circuit 313, an Icp supply circuit 314, an Ip2 detection circuit 315, a Vp2 application circuit 316, and a heater drive circuit. 317 , a resistance detection circuit 318 , an Ip3 detection circuit 321 , a Vs2 application/detection circuit 322 and a Vp3 application circuit 323 . The reference voltage comparison circuit 311, the Icp supply circuit 314, the Ip2 detection circuit 315, the Vp2 application circuit 316, the heater drive circuit 317, and the resistance detection circuit 318 operate in a NOx measurement mode for measuring nitrogen oxides contained in the exhaust gas and an exhaust gas measurement mode. Used in both ammonia measurement modes to measure ammonia contained in gas. The Ip1 drive circuit 312 and the Vs1 detection circuit 313 are used in the NOx measurement mode. The Ip3 detection circuit 321, the Vs2 application/detection circuit 322, and the Vp3 application circuit 323 are used in the ammonia measurement mode.

Ip1ドライブ回路312は、第1電極112-第2電極113間に電流Ip1を供給し、供給した電流Ip1の値をマイクロコンピュータ330に出力する。 The Ip1 drive circuit 312 supplies a current Ip1 between the first electrode 112 and the second electrode 113 and outputs the value of the supplied current Ip1 to the microcomputer 330 .

Vs1検知回路313は、第3電極122-第4電極123間の電圧Vs1を検知し、基準電圧比較回路311に出力する。基準電圧比較回路311は、基準電圧(例えば、425mV)とVs1検知回路313の出力(電圧Vs1)とを比較し、比較結果をIp1ドライブ回路312に出力する。そして、Ip1ドライブ回路312は、電圧Vs1が上記基準電圧に等しくなるように電流Ip1の流れる向きおよび大きさを制御し、第1測定室R1内の酸素濃度を窒素酸化物が分解しない程度の所定値に調整する。 The Vs1 detection circuit 313 detects the voltage Vs1 between the third electrode 122 and the fourth electrode 123 and outputs it to the reference voltage comparison circuit 311 . The reference voltage comparison circuit 311 compares the reference voltage (eg, 425 mV) with the output (voltage Vs1) of the Vs1 detection circuit 313 and outputs the comparison result to the Ip1 drive circuit 312 . The Ip1 drive circuit 312 controls the direction and magnitude of the flow of the current Ip1 so that the voltage Vs1 becomes equal to the reference voltage, and the oxygen concentration in the first measurement chamber R1 is set to a predetermined value such that nitrogen oxides do not decompose. value.

Icp供給回路314は、第3電極122-第4電極123間に微弱な電流Icpを流し、酸素の第1測定室R1から基準酸素室R3への汲み出しを行う。 The Icp supply circuit 314 causes a weak current Icp to flow between the third electrode 122 and the fourth electrode 123 to pump out oxygen from the first measurement chamber R1 to the reference oxygen chamber R3.

Vp2印加回路316は、第5電極132-第6電極133間に、排気ガス中の窒素酸化物が酸素と窒素とに分解される程度の一定電圧Vp2(例えば、450mV)を印加し、窒素酸化物を窒素と酸素に分解する。 The Vp2 application circuit 316 applies a constant voltage Vp2 (for example, 450 mV) that decomposes nitrogen oxides in the exhaust gas into oxygen and nitrogen between the fifth electrode 132 and the sixth electrode 133, thereby causing nitrogen oxidation. Decomposes matter into nitrogen and oxygen.

Ip2検知回路315は、第5電極132上で窒素酸化物の分解により生じた酸素が第3固体電解質体131を介して第6電極133側に汲み出される際に第5電極132-第6電極133間に流れる電流Ip2の値を検知し、マイクロコンピュータ330に出力する。 The Ip2 detection circuit 315 detects the fifth electrode 132 - the sixth electrode 133 when the oxygen generated by the decomposition of the nitrogen oxide on the fifth electrode 132 is pumped out to the sixth electrode 133 side through the third solid electrolyte body 131 . 133 is detected and output to the microcomputer 330 .

ヒータ駆動回路317は、ヒータ170が有する抵抗発熱体173に、ヒータ電圧Vhを印加することで、抵抗発熱体173を発熱させ、センサ素子100の加熱を行う。抵抗発熱体173は一本の電極パターンであり、一方の端部が接地され、他方の端部がヒータ駆動回路317に接続されている。 The heater driving circuit 317 applies a heater voltage Vh to the resistance heating element 173 of the heater 170 to cause the resistance heating element 173 to generate heat, thereby heating the sensor element 100 . The resistance heating element 173 is a single electrode pattern, one end of which is grounded and the other end of which is connected to the heater driving circuit 317 .

Ip3検知回路321は、第1電極112-第2電極113間に流れる電流Ip3の値を検知し、マイクロコンピュータ330に出力する。 The Ip3 detection circuit 321 detects the value of the current Ip3 flowing between the first electrode 112 and the second electrode 113 and outputs it to the microcomputer 330 .

Vs2印加・検知回路322は、第1電極112-第2電極113間の電圧Vs2を検知し、基準電圧比較回路311に出力する。基準電圧比較回路311は、基準電圧(例えば、425mV)とVs2印加・検知回路322の出力(電圧Vs2)とを比較し、比較結果をVs2印加・検知回路322に出力する。そして、Vs2印加・検知回路322は、電圧Vs2が上記基準電圧の付近で一定となるように制御し、第1測定室R1内の酸素濃度を窒素酸化物が分解しない程度の所定値に調整する。Vs2印加・検知回路322と基準電圧比較回路311とが電流制御部の一例である。 The Vs2 application/detection circuit 322 detects the voltage Vs2 between the first electrode 112 and the second electrode 113 and outputs it to the reference voltage comparison circuit 311 . The reference voltage comparison circuit 311 compares the reference voltage (for example, 425 mV) with the output (voltage Vs2) of the Vs2 application/detection circuit 322 and outputs the comparison result to the Vs2 application/detection circuit 322 . The Vs2 application/detection circuit 322 controls the voltage Vs2 to be constant near the reference voltage, and adjusts the oxygen concentration in the first measurement chamber R1 to a predetermined value at which nitrogen oxides do not decompose. . The Vs2 application/detection circuit 322 and the reference voltage comparison circuit 311 are examples of the current control section.

CPU331は、信号入出力部334およびA/Dコンバータ335を介してVp3印加回路323へ駆動信号を出力することにより、Vsセル120の第3電極122-第4電極123間に、第3電極122上でアンモニアの酸化反応を生じさせる酸化電圧Vp31を印加する酸化制御と、酸化電圧Vp31よりも小さく、第3電極122上でアンモニアの酸化反応を生じさせない非酸化電圧Vp32を印加する非酸化制御とを選択的に実行する。CPU331とVp3印加回路323とが電圧印加部の一例である。 The CPU 331 outputs a drive signal to the Vp3 application circuit 323 via the signal input/output unit 334 and the A/D converter 335, so that the third electrode 122 oxidation control that applies an oxidation voltage Vp31 that causes an oxidation reaction of ammonia on the third electrode 122, and non-oxidation control that applies a non-oxidation voltage Vp32 that is lower than the oxidation voltage Vp31 and does not cause an oxidation reaction of ammonia on the selectively execute The CPU 331 and the Vp3 application circuit 323 are an example of a voltage application section.

A/Dコンバータ335は、Ip2検知回路315およびIp3検知回路321からの出力値をデジタル変換し、信号入出力部334を介してCPU331に出力する。CPU331は、ROM333から各種データを読み込み、演算処理を行って、電流Ip2の値から排気ガス中の窒素酸化物の濃度を、電流Ip3の値から排気ガス中の酸素の濃度を算出する。CPU331は、濃度算出部の一例である。 The A/D converter 335 digitally converts the output values from the Ip2 detection circuit 315 and the Ip3 detection circuit 321 and outputs them to the CPU 331 via the signal input/output unit 334 . The CPU 331 reads various data from the ROM 333 and performs arithmetic processing to calculate the concentration of nitrogen oxides in the exhaust gas from the value of the current Ip2 and the concentration of oxygen in the exhaust gas from the value of the current Ip3. The CPU 331 is an example of a density calculator.

また、CPU331は、信号入出力部334およびA/Dコンバータ335を介してヒータ駆動回路317へ駆動信号を出力することにより、ヒータ170に供給する電力をパルス幅変調により通電制御して、センサ素子100(より具体的には固体電解質体111、121、131)が活性化温度になるようにしている。ヒータ170の通電制御は、抵抗検知回路318によって検知された電圧変化量を示す値と、ROM333に記憶されている電圧Vs1の変化量とVsセル120の内部抵抗値とが予め関連付けられたテーブルに基づいて、Vsセル120の内部抵抗(インピーダンス)を求め、インピーダンスが目標値となるように供給電力量を制御する公知の手法によって実現することができる。 Further, the CPU 331 outputs a drive signal to the heater drive circuit 317 via the signal input/output unit 334 and the A/D converter 335, thereby controlling the power supplied to the heater 170 by pulse width modulation, thereby controlling the sensor element. 100 (more specifically, solid electrolyte bodies 111, 121, and 131) are brought to the activation temperature. The energization control of the heater 170 is based on a table in which the value indicating the amount of voltage change detected by the resistance detection circuit 318, the amount of change in the voltage Vs1 stored in the ROM 333, and the internal resistance value of the Vs cell 120 are associated in advance. Based on this, the internal resistance (impedance) of the Vs cell 120 is obtained, and the power supply amount is controlled so that the impedance becomes the target value.

[ガス計測装置1の動作態様]
上記のガス計測装置1によって、車両の排気ガス中の窒素酸化物およびアンモニア濃度を計測する処理について、図4および図5を参照しつつ説明する。
[Operation Mode of Gas Measuring Device 1]
The process of measuring the concentration of nitrogen oxides and ammonia in the exhaust gas of a vehicle using the gas measuring device 1 will be described with reference to FIGS. 4 and 5. FIG.

ディーゼルエンジンが始動されて外部電源から電力の供給を受けると、ヒータ駆動回路317が抵抗発熱体173に駆動電流を流す(ステップS10)。抵抗発熱体173が昇温し、固体電解質体111、121、131が加熱され、活性化される。 When the diesel engine is started and power is supplied from the external power supply, the heater driving circuit 317 supplies a driving current to the resistance heating element 173 (step S10). The resistance heating element 173 is heated, and the solid electrolyte bodies 111, 121, 131 are heated and activated.

排気ガスは、第1拡散抵抗体151による流通量の制限を受けつつ第1測定室R1内に導入される。 Exhaust gas is introduced into the first measurement chamber R1 while being restricted in the flow rate by the first diffusion resistor 151 .

次に、Icp供給回路314が、Vsセル120において、第4電極123から第3電極122へ微弱な電流Icpを流す(ステップS20)。これにより、排気ガス中の酸素は、負極側となる第1測定室R1内の第3電極122から電子を受け取ることができ、酸素イオンとなって第2固体電解質体121内を流れ、基準酸素室R3内に移動する。つまり、第3電極122と第4電極123との間で電流Icpが流されることによって、第1測定室R1内の酸素が基準酸素室R3内に送り込まれる。 Next, the Icp supply circuit 314 causes a weak current Icp to flow from the fourth electrode 123 to the third electrode 122 in the Vs cell 120 (step S20). As a result, the oxygen in the exhaust gas can receive electrons from the third electrode 122 in the first measurement chamber R1 on the negative electrode side, become oxygen ions, flow through the second solid electrolyte body 121, and become reference oxygen. Move into room R3. In other words, the oxygen in the first measurement chamber R1 is sent into the reference oxygen chamber R3 by the current Icp flowing between the third electrode 122 and the fourth electrode 123. As shown in FIG.

次に、CPU331は、Vs1検知回路313により検知される電圧Vs1が所定値(1.5V)以下であるか否かを判断する(ステップS30)。CPU331は、電圧Vs1が所定値以下ではないと判断した場合には、電圧Vs1が所定値以下となるまで待機する。 Next, the CPU 331 determines whether the voltage Vs1 detected by the Vs1 detection circuit 313 is equal to or less than a predetermined value (1.5 V) (step S30). When the CPU 331 determines that the voltage Vs1 is not equal to or lower than the predetermined value, the CPU 331 waits until the voltage Vs1 becomes equal to or lower than the predetermined value.

CPU331は、電圧Vs1が所定値以下であると判断すると、続いて、アンモニア測定モードに切り替える必要があるか否かを判断する(ステップS40)。この判断は、例えば、SCR触媒装置による排気ガス中への尿素水溶液の噴射を検知したか否かを判定することにより行われる。 When the CPU 331 determines that the voltage Vs1 is equal to or lower than the predetermined value, it then determines whether or not it is necessary to switch to the ammonia measurement mode (step S40). This determination is made, for example, by determining whether injection of the urea aqueous solution into the exhaust gas by the SCR catalyst device has been detected.

CPU331は、SCR触媒装置による排気ガス中への尿素水溶液の噴射を検知しない場合には、アンモニア測定モードに切り替える必要がないと判断し、NOx計測モードで排気ガス中の窒素酸化物濃度を計測する(ステップS50)。計測は、例えば以下に示す公知の手順によって行うことができる。 When the injection of the aqueous urea solution into the exhaust gas by the SCR catalyst device is not detected, the CPU 331 determines that it is not necessary to switch to the ammonia measurement mode, and measures the concentration of nitrogen oxides in the exhaust gas in the NOx measurement mode. (Step S50). Measurement can be performed, for example, by a known procedure shown below.

Vs1検知回路313は、第3電極122と第4電極123との間の電圧Vs1を検知する。電圧Vs1は、第1測定室R1内と基準酸素室R3内との酸素濃度差に対応した電圧である。Vs1検知回路313は、検知した電圧Vs1を、基準電圧比較回路311を用いて基準電圧(425mV)と比較し、比較結果をIp1ドライブ回路312に対し出力する。ここで、電圧Vs1が425mV付近で一定となるように、第1測定室R1内の酸素濃度を調整すれば、第1測定室R1内の排気ガス中の酸素濃度は所定値(例えば10-8~10-9atm)に近づくこととなる。 A Vs1 detection circuit 313 detects a voltage Vs1 between the third electrode 122 and the fourth electrode 123 . The voltage Vs1 is a voltage corresponding to the oxygen concentration difference between the first measurement chamber R1 and the reference oxygen chamber R3. The Vs1 detection circuit 313 compares the detected voltage Vs1 with the reference voltage (425 mV) using the reference voltage comparison circuit 311 and outputs the comparison result to the Ip1 drive circuit 312 . Here, if the oxygen concentration in the first measurement chamber R1 is adjusted so that the voltage Vs1 becomes constant around 425 mV, the oxygen concentration in the exhaust gas in the first measurement chamber R1 will be a predetermined value (for example, 10 −8 ~10 -9 atm).

Ip1ドライブ回路312は、第1測定室R1内に導入された排気ガスの酸素濃度が所定値より薄い場合、第2電極113側が負極となるようにポンプセル110に電流Ip1を流し、空隙100Gから第1測定室R1内へ酸素の汲み入れを行う。一方、第1測定室R1内に導入された排気ガスの酸素濃度が所定値より濃い場合、Ip1ドライブ回路312は、第1電極112側が負極となるようにポンプセル110に電流Ip1を流し、第1測定室R1内から空隙100Gへ酸素の汲み出しを行う。すなわち、ポンプセル110は、第1測定室R1内の酸素濃度が一定となるように第1測定室R1の内部と外部との間で酸素の汲み出し又は汲み入れを行う。 When the oxygen concentration of the exhaust gas introduced into the first measurement chamber R1 is lower than a predetermined value, the Ip1 drive circuit 312 causes the current Ip1 to flow through the pump cell 110 so that the second electrode 113 side becomes the negative electrode, thereby causing the second electrode 110 to flow from the gap 100G. 1 Pump oxygen into the measuring chamber R1. On the other hand, when the oxygen concentration of the exhaust gas introduced into the first measurement chamber R1 is higher than the predetermined value, the Ip1 drive circuit 312 causes the current Ip1 to flow through the pump cell 110 so that the first electrode 112 side becomes the negative electrode. Oxygen is pumped out from the measurement chamber R1 to the gap 100G. That is, the pump cell 110 pumps oxygen between the inside and outside of the first measurement chamber R1 so that the oxygen concentration in the first measurement chamber R1 is constant.

第1測定室R1において酸素濃度が調整された排気ガスは、第2拡散抵抗体152による流通量の制限を受けつつ第2測定室R2内に導入される。第2測定室R2内で第5電極132と接触した排気ガス中の窒素酸化物は、Vp2印加回路316により第5電極132と第6電極133との間に電圧Vp2が印加されることで、第5電極132上で窒素と酸素とに分解される。分解された酸素は、酸素イオンとなって第3固体電解質体131内を流れ、基準酸素室R3内に移動する。このとき検知セル130を流れる電流Ip2は、窒素酸化物濃度に応じた値を示す。CPU331は、電流Ip2の値に基づいて排気ガス中の窒素酸化物の濃度を算出する。 The exhaust gas, the oxygen concentration of which has been adjusted in the first measurement chamber R1, is introduced into the second measurement chamber R2 while being restricted by the second diffusion resistor 152 in the flow rate. A voltage Vp2 is applied between the fifth electrode 132 and the sixth electrode 133 by the Vp2 application circuit 316, and the nitrogen oxides in the exhaust gas contacting the fifth electrode 132 in the second measurement chamber R2 are It is decomposed into nitrogen and oxygen on the fifth electrode 132 . The decomposed oxygen turns into oxygen ions, flows through the third solid electrolyte body 131, and moves into the reference oxygen chamber R3. The current Ip2 flowing through the sensing cell 130 at this time indicates a value corresponding to the nitrogen oxide concentration. The CPU 331 calculates the concentration of nitrogen oxides in the exhaust gas based on the value of the current Ip2.

CPU331は、SCR触媒装置による排気ガス中への尿素水溶液の噴射を検知した場合には、アンモニア測定モードに切り替える必要があると判断し、アンモニア計測モードで排気ガス中のアンモニア濃度を計測する(ステップS60)。計測の手順は、以下のようである。 When the injection of the urea aqueous solution into the exhaust gas by the SCR catalyst device is detected, the CPU 331 determines that it is necessary to switch to the ammonia measurement mode, and measures the concentration of ammonia in the exhaust gas in the ammonia measurement mode (step S60). The measurement procedure is as follows.

アンモニア測定モードにおいて、第2電極113は、酸素濃度の基準となる基準ガスに晒される基準電極となる。基準ガスとしての大気が、大気導入口100hを通って空隙100G内に導入され、多孔質体162を通過して第2電極113に接する。Vs2印加・検知回路322はポンプセル110の第1電極112-第2電極113間に電圧Vs2を印加する。電圧Vs2は被測定ガス中の窒素酸化物が実質的に解離せず、かつ第1測定室R1中の酸素濃度に応じた限界電流を測定できる電圧値(例えば、280mV)に設定される。そして、Ip3検知回路321は第1電極112-第2電極113間を流れる電流Ip3を測定する。第1測定室R1内に導入された排気ガスの酸素濃度が所定値よりも薄い場合、第2電極113側が負極となるようにポンプセル110に電流Ip3が流れ、空隙100Gから第1測定室R1内へ酸素の汲み入れが行われる。一方、第1測定室R1内に導入された排気ガスの酸素濃度が所定値よりも濃い場合、第1電極113側が負極となるようにポンプセル110に電流Ip3が流れ、第1測定室R1内から空隙100Gへ酸素の汲み出しが行われる。すなわち、ポンプセル110は、第1測定室R1内の酸素濃度が一定となるように第1 測定室R1の内部と外部との間で酸素の汲み出し又は汲み入れを行う(ステップS61)。 In the ammonia measurement mode, the second electrode 113 serves as a reference electrode exposed to a reference gas that serves as a reference for oxygen concentration. Air as a reference gas is introduced into the gap 100G through the air inlet 100h, passes through the porous body 162, and comes into contact with the second electrode 113. As shown in FIG. A Vs2 application/detection circuit 322 applies a voltage Vs2 between the first electrode 112 and the second electrode 113 of the pump cell 110 . The voltage Vs2 is set to a voltage value (for example, 280 mV) that does not substantially dissociate nitrogen oxides in the gas to be measured and allows measurement of a limiting current corresponding to the oxygen concentration in the first measurement chamber R1. Then, the Ip3 detection circuit 321 measures the current Ip3 flowing between the first electrode 112 and the second electrode 113 . When the oxygen concentration of the exhaust gas introduced into the first measurement chamber R1 is lower than a predetermined value, the current Ip3 flows through the pump cell 110 so that the second electrode 113 side becomes the negative electrode, and the current Ip3 flows from the gap 100G into the first measurement chamber R1. oxygen pumping takes place. On the other hand, when the oxygen concentration of the exhaust gas introduced into the first measurement chamber R1 is higher than the predetermined value, the current Ip3 flows through the pump cell 110 so that the first electrode 113 side becomes the negative electrode, and the current Ip3 flows from the first measurement chamber R1. Oxygen is pumped into the air gap 100G. That is, the pump cell 110 pumps oxygen between the inside and outside of the first measurement chamber R1 so that the oxygen concentration in the first measurement chamber R1 is constant (step S61).

第1測定室R1の内部でポンプセル110により酸素濃度が調整された後の排気ガスは、第2拡散抵抗体152に向かって流れ、第3電極122に接する。CPU331は、Vp3印加回路323へ駆動信号を出力し、Vsセル120の第3電極122-第4電極123間に、第3電極122上でアンモニアの酸化反応を生じさせる酸化電圧Vp31を印加する酸化制御と、酸化電圧Vp31よりも小さく、第3電極122上でアンモニアの酸化反応を生じさせない非酸化電圧Vp32を印加する非酸化制御とを選択的に実行する。 The exhaust gas after the oxygen concentration has been adjusted by the pump cell 110 inside the first measurement chamber R1 flows toward the second diffusion resistor 152 and contacts the third electrode 122 . The CPU 331 outputs a drive signal to the Vp3 application circuit 323, and applies an oxidation voltage Vp31 that causes an oxidation reaction of ammonia on the third electrode 122 between the third electrode 122 and the fourth electrode 123 of the Vs cell 120. Control and non-oxidation control of applying a non-oxidation voltage Vp32 that is lower than the oxidation voltage Vp31 and that does not cause an oxidation reaction of ammonia on the third electrode 122 are selectively executed.

CPU331は、まず、酸化制御を実行する(ステップS62)。第3電極122-第4電極123間に酸化電圧Vp31が印加されると、排気ガスに含まれるアンモニアが第3電極122上で酸化され、一酸化窒素と水とが生成される。第3電極122によるアンモニア酸化処理を受けた後の排気ガスは、第2拡散抵抗体152による流通量の制限を受けつつ第2測定室R2内に導入され、第5電極132と接する。Vp2印加回路316により第5電極132と第6電極133との間に電圧Vp2が印加されることで、排気ガス中の窒素酸化物は、第5電極132上で窒素と酸素とに分解される。分解により生成した酸素は、酸素イオンとなって第3固体電解質体131内を流れ、基準酸素室R3内に移動する。このとき検知セル130を流れる電流Ip21の値(第1電流値の一例)は、窒素酸化物濃度に応じた値を示す。 The CPU 331 first executes oxidation control (step S62). When the oxidation voltage Vp31 is applied between the third electrode 122 and the fourth electrode 123, ammonia contained in the exhaust gas is oxidized on the third electrode 122 to produce nitrogen monoxide and water. The exhaust gas after being subjected to the ammonia oxidation treatment by the third electrode 122 is introduced into the second measurement chamber R2 while being subject to the restriction of the flow rate by the second diffusion resistor 152, and comes into contact with the fifth electrode 132. The voltage Vp2 is applied between the fifth electrode 132 and the sixth electrode 133 by the Vp2 application circuit 316, so that nitrogen oxides in the exhaust gas are decomposed into nitrogen and oxygen on the fifth electrode 132. . Oxygen generated by the decomposition becomes oxygen ions, flows through the third solid electrolyte body 131, and moves into the reference oxygen chamber R3. The value of the current Ip21 flowing through the detection cell 130 at this time (an example of the first current value) indicates a value corresponding to the concentration of nitrogen oxides.

酸化制御下において、第5電極132上で分解された窒素酸化物は、排気ガス中にもともと含まれていた窒素酸化物と、排気ガス中のアンモニア由来の一酸化窒素(アンモニアが第3電極122上で酸化されることによって生成した一酸化窒素)とを含む。従って、電流Ip21の値は、排気ガス中にもともと含まれていた窒素酸化物と、排気ガス中のアンモニア由来の一酸化窒素との合計量に対応した値となる。 Under oxidation control, the nitrogen oxides decomposed on the fifth electrode 132 are composed of nitrogen oxides originally contained in the exhaust gas and nitrogen monoxide derived from ammonia in the exhaust gas (ammonia is added to the third electrode 122). Nitric oxide produced by being oxidized above). Therefore, the value of the current Ip21 becomes a value corresponding to the total amount of nitrogen oxides originally contained in the exhaust gas and nitrogen monoxide derived from ammonia in the exhaust gas.

次に、CPU331は、非酸化制御を実行する(ステップS63)。第3電極122-第4電極123間に非酸化電圧Vp32が印加された状態では、アンモニアが酸化されず、そのまま排気ガス中に含まれる。第3電極122上を通過した排気ガスは、第2拡散抵抗体152による流通量の制限を受けつつ第2測定室R2内に導入される。排気ガス中の窒素酸化物は、酸化制御の場合と同様に、第5電極132上で窒素と酸素とに分解され、分解により生成した酸素は、酸素イオンとなって基準酸素室R3内に移動する。このとき検知セル130を流れる電流Ip22が流れる。 Next, the CPU 331 executes non-oxidation control (step S63). When the non-oxidizing voltage Vp32 is applied between the third electrode 122 and the fourth electrode 123, the ammonia is not oxidized and is contained in the exhaust gas as it is. The exhaust gas that has passed over the third electrode 122 is introduced into the second measurement chamber R2 while being restricted in the flow rate by the second diffusion resistor 152 . As in the case of oxidation control, nitrogen oxides in the exhaust gas are decomposed into nitrogen and oxygen on the fifth electrode 132, and the oxygen generated by the decomposition becomes oxygen ions and moves into the reference oxygen chamber R3. do. At this time, a current Ip22 flows through the sensing cell 130 .

非酸化制御下において、第5電極132上で分解された窒素酸化物は、排気ガス中にもともと含まれていた窒素酸化物を含むが、排気ガス中のアンモニア由来の一酸化窒素を含まない。従って、検知セル130を流れる電流Ip22の値(第2電流値の一例)は、排気ガス中にもともと含まれていた窒素酸化物の量に対応した値となる。 Under non-oxidizing control, the nitrogen oxides decomposed on the fifth electrode 132 contain nitrogen oxides originally contained in the exhaust gas, but do not contain nitrogen monoxide derived from ammonia in the exhaust gas. Therefore, the value of the current Ip22 flowing through the sensing cell 130 (an example of the second current value) corresponds to the amount of nitrogen oxide originally contained in the exhaust gas.

CPU331は、電流Ip22の値に基づいて、排気ガス中の窒素酸化物濃度を算出し、電流Ip21の値と電流Ip22の値との差分に基づいて、排気ガス中に含まれるアンモニアの濃度を算出する(ステップS64)。 The CPU 331 calculates the concentration of nitrogen oxides in the exhaust gas based on the value of the current Ip22, and calculates the concentration of ammonia contained in the exhaust gas based on the difference between the value of the current Ip21 and the value of the current Ip22. (step S64).

ステップS50またはステップS60の後、CPU331は、計測処理の終了要求があるか否かを判別する(ステップS70)。終了要求がないと判断した場合には、ステップS40からステップS60までの処理が繰り返される。終了要求があったと判断した場合には、計測処理を終了する。 After step S50 or step S60, the CPU 331 determines whether or not there is a request to end the measurement process (step S70). If it is determined that there is no end request, the processing from step S40 to step S60 is repeated. If it is determined that there is an end request, the measurement process is ended.

[作用効果]
以上のように本実施形態によれば、ガス計測装置1は、センサ素子100と、センサ素子100を制御するセンサ制御装置300とを備えてアンモニアを含む排気ガス中のアンモニアの濃度を計測する装置であって、センサ素子100が、排気ガスが導入される第1測定室R1および第2測定室R2と、第1固体電解質体111と、第1固体電解質体111の表面に設けられて第1測定室R1の内部に配される第1電極112と、第1固体電解質体111の表面に設けられて第1測定室R1の外部に配される第2電極113と、を備え、第1測定室R1の内部と外部との間で酸素の汲み出し又は汲み入れを行うポンプセル110と、第2固体電解質体121と、第2固体電解質体121の表面に設けられて第1測定室R1の内部に配される第3電極122と、第2固体電解質体121の表面に設けられて第3電極122と対となる第4電極123とを備え、ポンプセル110よりも下流に位置するVsセル120と、第3固体電解質体131と、第3固体電解質体131の表面に設けられて第2測定室R2の内部に配される第5電極132と、第3固体電解質体131の表面に設けられて第5電極132と対となる第6電極133とを備え、ポンプセル110によって酸素濃度が調整され、第3電極122上を通過した後の排気ガス中の窒素酸化物の濃度に対応した電流値を出力する検知セル130と、を備え、センサ制御装置300が、Vsセル120に、第3電極122上でアンモニアの酸化反応を生じさせる酸化電圧Vp31と、酸化電圧Vp31よりも小さく、第3電極122上でアンモニアの酸化反応を生じさせない非酸化電圧Vp32とを印加するCPU331およびVp3印加回路323と、Vsセル120に酸化電圧Vp31が印加されている状態で検知セル130から出力される電流Ip21の値と、Vsセル120に非酸化電圧Vp32が印加されている状態で検知セル130から出力される電流Ip22の値と、に基づいてアンモニアの濃度を算出するCPU331と、を備える。
[Effect]
As described above, according to the present embodiment, the gas measuring device 1 includes the sensor element 100 and the sensor control device 300 that controls the sensor element 100, and measures the concentration of ammonia in exhaust gas containing ammonia. The sensor element 100 includes a first measurement chamber R1 and a second measurement chamber R2 into which exhaust gas is introduced, a first solid electrolyte body 111, and a first solid electrolyte body 111 provided on the surface of the first solid electrolyte body 111. A first electrode 112 arranged inside the measurement chamber R1, and a second electrode 113 provided on the surface of the first solid electrolyte body 111 and arranged outside the first measurement chamber R1. a pump cell 110 for pumping or pumping oxygen between the inside and outside of the chamber R1; a second solid electrolyte body 121; a Vs cell 120 located downstream of the pump cell 110, comprising a third electrode 122 disposed and a fourth electrode 123 provided on the surface of the second solid electrolyte body 121 and paired with the third electrode 122; a third solid electrolyte body 131; a fifth electrode 132 provided on the surface of the third solid electrolyte body 131 and arranged inside the second measurement chamber R2; Equipped with five electrodes 132 and a sixth electrode 133 paired with each other, the oxygen concentration is adjusted by the pump cell 110, and a current value corresponding to the concentration of nitrogen oxides in the exhaust gas after passing over the third electrode 122 is output. the sensor control device 300 provides the Vs cell 120 with an oxidation voltage Vp31 that causes an oxidation reaction of ammonia on the third electrode 122 and an oxidation voltage Vp31 that is lower than the oxidation voltage Vp31 and on the third electrode 122 A CPU 331 and a Vp3 application circuit 323 that apply a non-oxidizing voltage Vp32 that does not cause an oxidation reaction of ammonia at , a value of a current Ip21 that is output from the detection cell 130 while the oxidation voltage Vp31 is being applied to the Vs cell 120, and , the value of the current Ip22 output from the detection cell 130 while the non-oxidizing voltage Vp32 is being applied to the Vs cell 120, and a CPU 331 for calculating the concentration of ammonia based on the current Ip22.

Vsセル120に酸化電圧Vp31が印加されている状態では、排気ガス中のアンモニアが第3電極122上で酸化され、窒素酸化物と酸素とが生じる。したがって、検知セル130から出力される電流Ip21の値は、排気ガスにもともと含まれている窒素酸化物の濃度と、アンモニアの酸化によって生じた窒素酸化物の濃度との和に対応したものとなる。Vsセル120に非酸化電圧Vp32が印加されている状態では、排気ガス中のアンモニアが第3電極122上で酸化されない。したがって、検知セル130から出力される電流Ip22の値は、排気ガスにもともと含まれている窒素酸化物の濃度に対応したものとなる。以上より、電流Ip21の値と電流Ip22の値とに基づいて、排気ガス中のアンモニア濃度を容易に、かつ、精度よく算出することができる。 When the oxidation voltage Vp31 is applied to the Vs cell 120, ammonia in the exhaust gas is oxidized on the third electrode 122 to produce nitrogen oxides and oxygen. Therefore, the value of the current Ip21 output from the detection cell 130 corresponds to the sum of the concentration of nitrogen oxides originally contained in the exhaust gas and the concentration of nitrogen oxides produced by the oxidation of ammonia. . Ammonia in the exhaust gas is not oxidized on the third electrode 122 when the non-oxidizing voltage Vp32 is applied to the Vs cell 120 . Therefore, the value of the current Ip22 output from the detection cell 130 corresponds to the concentration of nitrogen oxide originally contained in the exhaust gas. As described above, the concentration of ammonia in the exhaust gas can be easily and accurately calculated based on the value of the current Ip21 and the value of the current Ip22.

また、第2電極113が、酸素濃度の基準となる基準ガスに晒される基準電極であり、センサ制御装置300が、第1測定室R1内の排気ガスと基準ガスとの酸素濃度の差に対応して第1電極112と第2電極113との間に生じる起電力が一定となるように第1電極112と第2電極113との間に流れる電流Ip1を制御するVs2印加・検知回路322と基準電圧比較回路311とを備える。 Further, the second electrode 113 is a reference electrode that is exposed to a reference gas serving as a reference of oxygen concentration, and the sensor control device 300 responds to the difference in oxygen concentration between the exhaust gas and the reference gas in the first measurement chamber R1. and a Vs2 application/detection circuit 322 that controls the current Ip1 flowing between the first electrode 112 and the second electrode 113 so that the electromotive force generated between the first electrode 112 and the second electrode 113 is constant. and a reference voltage comparison circuit 311 .

このような構成によれば、酸素濃度を検知するためのセルを別途設ける必要がなく、簡易な構成で、排気ガス中のアンモニア濃度を精度よく算出することができる。 According to such a configuration, there is no need to separately provide a cell for detecting the oxygen concentration, and the ammonia concentration in the exhaust gas can be accurately calculated with a simple configuration.

<他の実施形態>
(1)ポンプセルとアンモニア酸化セルとの位置関係は、ポンプセルによって酸素濃度を調整された後の排気ガスが、アンモニア酸化セルの第3電極に接するような関係となっていればよい。上記実施形態では、図2および図3に示すように、センサ素子100の板厚方向から(図2および図3の上側または下側から)見て第2電極113と第3電極122とが重なっていないが、例えば、センサ素子の板厚方向から見て、第3電極が第2電極よりも下流側にずれて位置していれば足り、第2電極と第3電極の一部がオーバーラップしていても構わない。
(2)上記実施形態では、非酸化制御が酸化制御の後に実行されたが、酸化制御と非酸化制御との順序は任意であり、酸化制御が非酸化制御の後に実行されても構わない。
(3)上記実施形態では、第1測定室R1と第2測定室R2とが第2拡散抵抗体152によって隔てられていたが、拡散抵抗体によって隔てられていない1つの被測定ガス空間の内部に第1電極と第3電極と第5電極とが配置されていても構わない。
<Other embodiments>
(1) The positional relationship between the pump cell and the ammonia oxidation cell should be such that the exhaust gas after the oxygen concentration has been adjusted by the pump cell is in contact with the third electrode of the ammonia oxidation cell. In the above embodiment, as shown in FIGS. 2 and 3, the second electrode 113 and the third electrode 122 overlap when viewed from the plate thickness direction of the sensor element 100 (from the upper side or the lower side in FIGS. 2 and 3). However, for example, it is sufficient if the third electrode is positioned downstream of the second electrode when viewed in the plate thickness direction of the sensor element, and the second electrode and the third electrode partly overlap. It doesn't matter if you do.
(2) In the above embodiment, non-oxidation control is performed after oxidation control, but the order of oxidation control and non-oxidation control is arbitrary, and oxidation control may be performed after non-oxidation control.
(3) In the above embodiment, the first measurement chamber R1 and the second measurement chamber R2 are separated by the second diffusion resistor 152, but the inside of one measured gas space not separated by the diffusion resistor The first electrode, the third electrode, and the fifth electrode may be arranged in the .

1:ガス計測装置
10:ガスセンサ
11:主体金具
11A:貫通孔
12:外部プロテクタ
13:内部プロテクタ
14:外筒
15:セラミックホルダ
16A、16B:滑石リング
17:セラミックスリーブ
18:保持部材
18A:挿入孔
19:端子部材
20:リード線
21:弾性シール部材
100:センサ素子
100G:空隙
100h:大気導入口
110:ポンプセル
111:第1固体電解質体
112:第1電極
113:第2電極
120:Vsセル(アンモニア酸化セル)
121:第2固体電解質体
122:第3電極
123:第4電極
130:検知セル
131:第3固体電解質体
132:第5電極
133:第6電極
141A:第1緻密層
141B:第2緻密層
141C:第3緻密層
142:第1絶縁層
143:第2絶縁層
144:第3絶縁層
145:第4絶縁層
146:第5絶縁層
151:第1拡散抵抗体
152:第2拡散抵抗体
161:多孔質体
162:多孔質体
170:ヒータ
171:第3絶縁層
172:第4絶縁層
173:抵抗発熱体
300:センサ制御装置(制御部)
310:電気回路部
311:基準電圧比較回路(電流制御部)
312:Ip1ドライブ回路
313:Vs1検知回路
314:Icp供給回路
315:Ip2検知回路
316:Vp2印加回路
317:ヒータ駆動回路
318:抵抗検知回路
321:Ip3検知回路
322:Vs2印加・検知回路(電流制御部)
323:Vp3印加回路(電圧印加部)
330:マイクロコンピュータ
331:CPU(電圧印加部、濃度算出部)
332:RAM
333:ROM
334:信号入出力部
335:A/Dコンバータ
AX:軸線
H1、H2、H3,H4:貫通孔
R1:第1測定室(被測定ガス空間)
R2:第2測定室(被測定ガス空間)
R3:基準酸素室
1: Gas measuring device 10: Gas sensor 11: Metal shell 11A: Through hole 12: External protector 13: Internal protector 14: Outer cylinder 15: Ceramic holders 16A, 16B: Talc ring 17: Ceramic sleeve 18: Holding member 18A: Insertion hole 19: Terminal member 20: Lead wire 21: Elastic seal member 100: Sensor element 100G: Gap 100h: Atmosphere inlet 110: Pump cell 111: First solid electrolyte body 112: First electrode 113: Second electrode 120: Vs cell ( ammonia oxidation cell)
121: Second solid electrolyte body 122: Third electrode 123: Fourth electrode 130: Detection cell 131: Third solid electrolyte body 132: Fifth electrode 133: Sixth electrode 141A: First dense layer 141B: Second dense layer 141C: Third Dense Layer 142: First Insulating Layer 143: Second Insulating Layer 144: Third Insulating Layer 145: Fourth Insulating Layer 146: Fifth Insulating Layer 151: First Diffusion Resistor 152: Second Diffusion Resistor 161: porous body 162: porous body 170: heater 171: third insulating layer 172: fourth insulating layer 173: resistance heating element 300: sensor control device (control unit)
310: Electric circuit section 311: Reference voltage comparison circuit (current control section)
312: Ip1 drive circuit 313: Vs1 detection circuit 314: Icp supply circuit 315: Ip2 detection circuit 316: Vp2 application circuit 317: Heater drive circuit 318: Resistance detection circuit 321: Ip3 detection circuit 322: Vs2 application/detection circuit (current control part)
323: Vp3 application circuit (voltage application unit)
330: Microcomputer 331: CPU (voltage application section, density calculation section)
332: RAM
333: ROM
334: Signal input/output unit 335: A/D converter AX: Axis lines H1, H2, H3, H4: Through hole R1: First measurement chamber (gas space to be measured)
R2: Second measurement chamber (measured gas space)
R3: Reference oxygen chamber

Claims (2)

センサ素子と、前記センサ素子を制御する制御部とを備えてアンモニアを含む計測対象ガス中の前記アンモニアの濃度を計測するガス計測装置であって、
前記センサ素子が、
前記計測対象ガスが導入される被測定ガス空間と、
第1固体電解質体と、前記第1固体電解質体の表面に設けられて前記被測定ガス空間の内部に配される第1電極と、前記第1固体電解質体の表面に設けられて前記被測定ガス空間の外部に配される第2電極と、を備え、前記被測定ガス空間の内部と外部との間で酸素の汲み出し又は汲み入れを行うポンプセルと、
第2固体電解質体と、前記第2固体電解質体の表面に設けられて前記被測定ガス空間の内部に配される第3電極と、前記第2固体電解質体の表面に設けられて前記第3電極と対となる第4電極とを備え、前記ポンプセルよりも下流に位置するアンモニア酸化セルと、
第3固体電解質体と、前記第3固体電解質体の表面に設けられて前記被測定ガス空間の内部に配される第5電極と、前記第3固体電解質体の表面に設けられて前記第5電極と対となる第6電極とを備え、前記ポンプセルによって酸素濃度が調整され、前記第3電極上を通過した後の前記計測対象ガス中の窒素酸化物の濃度に対応した電流値を出力する検知セルと、を備え、
前記制御部が、
前記アンモニア酸化セルに、前記第3電極上で前記アンモニアの酸化反応を生じさせる酸化電圧と、前記酸化電圧よりも小さく、前記第3電極上で前記アンモニアの酸化反応を生じさせない非酸化電圧とを印加する電圧印加部と、
前記アンモニア酸化セルに前記酸化電圧が印加されている状態で前記検知セルから出力される第1電流値と、前記アンモニア酸化セルに前記非酸化電圧が印加されている状態で前記検知セルから出力される第2電流値と、に基づいて前記アンモニアの濃度を算出する濃度算出部と、を備える、ガス計測装置。
A gas measuring device for measuring the concentration of ammonia in a measurement target gas containing ammonia, comprising a sensor element and a control unit for controlling the sensor element,
The sensor element is
a gas space to be measured into which the gas to be measured is introduced;
a first solid electrolyte body; a first electrode provided on the surface of the first solid electrolyte body and disposed inside the gas space to be measured; and a first electrode provided on the surface of the first solid electrolyte body and the measurement subject a pump cell for pumping oxygen between the inside and outside of the gas space to be measured, and a second electrode arranged outside the gas space;
a second solid electrolyte body; a third electrode provided on the surface of the second solid electrolyte body and arranged inside the gas space to be measured; an ammonia oxidation cell located downstream of the pump cell, comprising a fourth electrode paired with an electrode;
a third solid electrolyte body; a fifth electrode provided on the surface of the third solid electrolyte body and arranged inside the gas space to be measured; An electrode and a sixth electrode paired with each other are provided, and the oxygen concentration is adjusted by the pump cell, and a current value corresponding to the concentration of nitrogen oxides in the gas to be measured after passing over the third electrode is output. a sensing cell;
The control unit
The ammonia oxidation cell is provided with an oxidation voltage that causes an oxidation reaction of the ammonia on the third electrode and a non-oxidation voltage that is lower than the oxidation voltage and does not cause an oxidation reaction of the ammonia on the third electrode. a voltage applying unit that applies
A first current value output from the detection cell while the oxidation voltage is applied to the ammonia oxidation cell and a first current value output from the detection cell while the non-oxidation voltage is applied to the ammonia oxidation cell and a concentration calculator that calculates the concentration of the ammonia based on the second current value.
前記第2電極が、酸素濃度の基準となる基準ガスに晒される基準電極であり、
前記制御部が、前記被測定ガス空間内の前記計測対象ガスと前記基準ガスとの酸素濃度の差に対応して前記第1電極と前記第2電極との間に生じる起電力が一定となるように前記第1電極と前記第2電極との間に流れる電流を制御する電流制御部を備える、請求項1に記載のガス計測装置。
wherein the second electrode is a reference electrode exposed to a reference gas serving as a reference for oxygen concentration;
The control unit makes the electromotive force generated between the first electrode and the second electrode constant corresponding to the difference in oxygen concentration between the measurement object gas and the reference gas in the gas space to be measured. 2. The gas measuring device according to claim 1, further comprising a current control section for controlling current flowing between said first electrode and said second electrode.
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