JP3108739B2 - ガス混合体中のガス状成分の濃度を連続的にモニタするための装置 - Google Patents

ガス混合体中のガス状成分の濃度を連続的にモニタするための装置

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    • G01N27/416Systems
    • G01N27/417Systems using cells, i.e. more than one cell and probes with solid electrolytes

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は主クレームの上位概念部による装置に関す
る。
そのような装置は(ドイツ公開特許公報3610363号)
から知られている。この公知な装置は広く利用されてい
る。
しかしながら、その複雑な構造が欠点である。この装
置を検出部として製作するにはガス密封にし、製作後ガ
ス密封試験を行わなければならず、このことにより、検
出部の製造コストが高くなる。更には、検出管内に別個
のヒータを備えなければならない;その結果、簡単な構
造とすることができず、ヒータと検出管との間の熱伝達
の悪さにより、高いエネルギ消費や不均等な温度分布と
いう欠点を引き起こす。このことから、備え付けスペー
スも比較的大きなものとなる。更に、嵩が大きいこと
と、その加熱に必要な時間がスイッチオンから少なくと
も60秒かかることからすぐに準備完了とはならない。そ
の他、動作中比較的多くのエネルギが消費される。この
公知のシステムの重要な欠点は、ポータブル性がないこ
ととセンサの測定信号の温度依存性からある程度の精度
しか得られないことである。最後にこの公知の装置で
は、参照ガス混合体として空気を供給しなければならな
いし、このことによりハウジングが複雑になるだけでは
なく、備え付ける場所も自由に設定することができな
い。
この公知の装置の温度依存性も、コンピュータ手法を
用いて補償すべく温度センサを装置に組み込むことは既
に考えられている。
本発明の課題は、主クレームの上位概念部による装置
をガス混合体の複数のガス状成分の測定に適した簡単な
構造とし、省スペースで、場所を選ばずに備え付け可能
で、僅かなヒータ能力で良好な応答性と正確な測定結果
を得ることである。
この課題は、本発明では、主クレームの上位概念部に
よる装置において、主クレームの特徴部によって解決さ
れる。
その際、支持体としてプレート片が備えられ、その一
方の面に電極を、そして他方の面に好ましくは蛇行状に
配置された抵抗ヒータ層を形成し、この抵抗ヒータ層は
薄いプレート片を数秒で動作温度に加熱し、動作準備完
了状態にする。固体電解質の破壊電圧(ZrO2で約2V)よ
り大きな電圧がかかる場合、必要に応じて、電気絶縁酸
化物層が抵抗ヒータ層とプレート片との間に設けられ
る。支持プレート片の小さな重さと寸法により、稼働に
おいて比較的僅かな加熱エネルギーしか必要としない。
電極のすぐ近くで生じる有効温度を検出する温度センサ
を一方の面に設けると、最高レベルの測定精度が得られ
る。更に、プレート片の使用によって複雑で高価なハウ
ジングを必要としない非常に小さな構造が実現する。寸
法が小さいことと、従来技術では参照ガス(例えば空
気)にさらされなければならない参照電極を必要としな
いことにより、本発明による装置は備え付けの難しい場
所、例えば自動車の排ガスラインに取付けることも可能
である。構成部材が層としてのみ形成されていることに
より、膜形成技術の利用によりその製造を簡単に行うこ
とができる。密封試験も必要がなくなる。また、本発明
の装置を用いて測定すべきガス中の酸素や他の成分ガス
の濃度を測定することができる。
本発明の好適な実施形態において、支持体としてセラ
ミック性のプレート片が用いられ、それに固体電解質の
層を形成しており、例えばY−ドープされたZrO2のよう
な固体電解質のための扱いにくく高価な材料が僅かで済
む。それとは逆に、セラミックプレート片は安い物質で
あり、更に必要な機械的強度と電気絶縁性を備えてお
り、電極等の電気配線を接点部材として利用できる。前
記一方の面に1つだけではなく複数の電極を設け、それ
ぞれをガス混合体の異なる成分と相互作用させると、単
一のハウジング、プレート片、温度センサ、そして抵抗
ヒータでもって、ガス混合体の種々の成分、例えばCO、
NO、又はHC及びO2を同時に検定することができる。その
際、酸素成分を一定であると、参照として用いられる電
極と他のいずれかの電極との間に電気測定信号が生じ
る。酸素成分がモニタすべきガス混合体の内で変動する
場合、2つの電気化学分割素子を酸素の大きさのために
割り振る。その際好ましくは、分割素子の1つを固体参
照材料(例えばパラジウム/パラジウム酸化物)とし
て、そして他の分割素子を排ガス中の実際の酸素濃度の
算出のために割り振るとよい。
本発明によるその他の好ましい実施形態や変形例は、
従属クレームの特徴部に記載されている。
本発明の好適な実施例を、以下に図面を参照しながら
詳しく説明する。
図1 ガスの成分の検定をするための2つの電極を備え
た第1実施例の平面図 図2a 図1の11−11断面図 図2b 変形例の部分断面図 図3 図1による第1実施例の下面図 図4 ガス混合体の複数の成分を同時に検定するための
本発明の第2実施例の簡略化された平面図 図5 本発明の第3実施例の簡略化された平面図 図6 図5のV1−V1断面図 装置5は電気化学素子のための支持体としてZrO2製の
プレート片6を備えていて、その一方の面7(図1)に
電極が設けられており、このことは後で詳しく説明され
る。更に、この面7には電気化学素子を包囲している全
体としてほぼ円環状の温度センサ8が備えられていて、
この温度センサ8は前記面7にその接点82を有してお
り、この接点82に、図示されていないが電気配線の接点
が接続され、評価手段につながれている。
プレート片6の裏側の面9(図3)には、平面視で蛇
行状に形成された抵抗ヒータ層10が設けられており、同
様に接点91を有している。
平面視で円形の薄いプレート片6の一方の面7には、
図2aで示されているように、更に金属や金属酸化物製の
2つの異なった電極11a、11bが薄膜層の形で備えられて
おり、夫々互いに間隔をあけて配置されている。スクリ
ーン印刷法とこれに続く燒結によって製造されるプラナ
ー技術つまり厚膜技術を用いた装置はわずかな重さと小
さな寸法をもち、取付けのため簡単なハウジングが更に
必要となるだけである。その他、電極のすぐ近くで直接
温度センサを用いて有効な測定温度が検出される。ヒー
タ素子はプレート片の他の面に設けられており、電気抵
抗ヒータ層と電極と間にわずかな間隔が形成されてお
り、これにより速い応答時間が保証される。次に、小さ
なプレート片体とこれに設けられた単一層を加熱するだ
けなので、そのエネルギ供給のためにはわずかなヒータ
線で十分である。
図2bに示されているところの、図2aの変形例では、プ
レート片の下面9に対抗電極40がその下側に位置する絶
縁層41とともに備えられ、この絶縁層に抵抗ヒータ層10
が設けられている。この変形例では付加的に測定素子の
時間特性が向上する。
図4に示された大きな利点をもつ第2の実施例では、
プレート片6に、つまり支持体6の一方の面7に2つ又
はそれ以上の異なる電極13、14又は15が設けられてい
て、同時にガス状混合体の異なる成分を測定可能として
いる。この場合、参照電圧として電極16が用いられ、こ
れに対して他の電極13、14、15のポテンシャルが測定さ
れる。
図5には、第3実施例が示されている。この実施例で
は、プレート片6はセラミック、好ましくはAl2O3から
作られており、これに固体電解質12としてイットリウム
安定化ZrO2が設けられていて、厚膜技術での薄い層とし
て設けられている。更に、プレート片6の一方の面7に
は温度センサ8が、その裏側には(図6)更に抵抗ヒー
タ層10が夫々備えられている。厚膜技術で形成された固
体電解質12の薄い層に金属や金属酸化物からなる電極1
8、19、22、23が設けられており、これらは特にガス混
合体中の他の成分と相互作用し、測定すべきガス混合体
内でのその濃度が決定される。
電極18、19、22、23の電圧及び温度センサ8の測定信
号の取り出しのためと、抵抗ヒータ層へのヒータ電流の
供給のために、プレート片6に24で示された領域(接点
部)にわたって電気配線として金属層が設けられてい
る。この接点部24により測定箇所から遠く離れたところ
でケーブルを用いての測定手段との接続が可能となる。
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01N 27/409 G01N 27/416

Claims (13)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】CO、NO又はHC及びO2と同時に異なる成分を
    含む混合ガス中の少なくとも1つの気体成分の濃度を連
    続的にモニタする装置であって、 プレート状の支持体を設け、 支持体中の酸素イオンを伝導する伝導固体電解質を設
    け、その伝導固体電解質に、少なくとも2つの電気化学
    分割素子を備え、 前記伝導固体電解質は、前記支持体状に薄い層状に設け
    られ、金属を含有するとともに、気体成分と相互作用し
    て前記気体成分に依存した電気測定信号を発生する固体
    多孔構造を有し、 前記電気測定信号の取り出しと接続のためのリード線を
    設け、前記電気測定信号は、コンピュータで電子的に処
    理して濃度量に変換可能に構成されており、 前記支持体の一方面に、薄い別体のコーティングからな
    る少なくとも2つの電極を備えて、前記電気化学分割素
    子を形成し、 前記電極と離間して取付けられる温度センサを配置し、 前記支持体の他方面に、抵抗加熱コーティングからなる
    加熱手段を配置してあり、 前記抵抗加熱コーティングを支持する絶縁層を設けてあ
    る装置。
  2. 【請求項2】前記電気測定信号は、前記各電極と、前記
    温度センサとの間に発生させるものである請求項1に記
    載の装置。
  3. 【請求項3】前記電気測定信号は、前記各電極と、加熱
    手段との間に発生させるものである請求項1に記載の装
    置。
  4. 【請求項4】前記温度センサが、前記支持体の縁部で、
    前記各電極を囲むように設けられている請求項1〜3の
    いずれかに記載の装置。
  5. 【請求項5】前記温度センサが前記支持体の中央部で前
    記電極の間に蛇行状に配置されている請求項1〜4のい
    ずれかに記載の装置。
  6. 【請求項6】前記支持体がセラミックス製であり、縁部
    に電気配線のための接点部を備えている請求項1〜5の
    いずれかに記載の装置。
  7. 【請求項7】前記プレート片は、非イオン伝導性セラミ
    ックとして形成され、前記一方面に温度センサ及び層と
    して形成されているとともに、その上に前記各電極と温
    度センサとを設けている固体電解質を備えている請求項
    1〜6のいずれかに記載の装置。
  8. 【請求項8】前記支持体は、酸化アルミニウムを含むも
    のである請求項1〜7のいずれかに記載の装置。
  9. 【請求項9】前記固体電解質は、安定化酸化ジルコニウ
    ムを含むものである請求項1〜8のいずれかに記載の装
    置。
  10. 【請求項10】前記抵抗加熱コーティングは蛇行線とし
    て構成されている請求項1〜9のいずれかに記載の装
    置。
  11. 【請求項11】前記固体電解質、温度センサ、抵抗加熱
    コーティングは、厚膜形成技術により形成されている請
    求項1〜10のいずれかに記載の装置。
  12. 【請求項12】前記厚膜形成技術がスクリーン印刷であ
    る請求項11に記載の装置。
  13. 【請求項13】前記電極が、金を含むものである請求項
    1〜12のいずれかに記載の装置。
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