JP6624041B2 - ガス検出装置 - Google Patents
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Description
内燃機関の排気通路(12)に設けられ、酸化物イオン伝導性を有する固体電解質体(41s)と前記固体電解質体の表面にそれぞれ形成された第1電極(41a)及び第2電極(41b)とを含む電気化学セル(41c)と、前記排気通路を流れる排気が通過可能な多孔質材料からなる拡散抵抗体(61)とを備え、前記排気通路を流れる排気が前記拡散抵抗体を通して前記第1電極に到達するように構成された素子部(40)と、
前記第1電極と前記第2電極との間に電圧を印加する電圧印加部(81)と、
前記第1電極と前記第2電極との間に流れる電流である出力電流(Im)を検出する電流検出部(91)と、
前記電圧印加部を用いて前記第1電極と前記第2電極との間に印加される電圧である印加電圧(Vm)を制御すると共に前記電流検出部を用いて前記出力電流を取得し、前記取得した出力電流に基づいて、前記排気中に所定濃度以上の硫黄酸化物が含まれているか否かの判定又は前記排気中の硫黄酸化物の濃度の検出を行う測定制御部(20)と
を有し、
前記測定制御部は、
前記出力電流が酸素の限界電流となる限界電流域の下限電圧よりも高く硫黄酸化物の分解開始電圧未満である第1電圧範囲内から選ばれる第1電圧から、前記第1電圧より高く且つ前記硫黄酸化物の分解開始電圧より所定値高い電圧以下である第2電圧まで、上昇させる第1昇圧スイープを実行した後、前記第2電圧から前記第1電圧まで下降させる第1降圧スイープを実行する第1印加電圧スイープを少なくとも1サイクル行い(図11のステップ1140)、
第1パラメータ(Ia1)を、少なくとも前記第1降圧スイープ中の前記出力電流を用い且つ所定の第1特定手法に従って取得し(図14及び図16のそれぞれのステップ1415、図15及び図17のそれぞれのステップ1515)、
前記第1印加電圧スイープを行った後、前記電圧印加部を用いて前記印加電圧を、前記第1電圧範囲内から選ばれる第3電圧から、前記硫黄酸化物の分解開始電圧よりも高く且つ前記第2電圧より高い第4電圧まで、上昇させる第2昇圧スイープを実行した後、前記第4電圧から前記第3電圧まで下降させる第2降圧スイープを実行する第2印加電圧スイープを少なくとも1サイクル行い(図13のステップ1340)、
前記第2降圧スイープを行っている期間に前記印加電圧が前記硫黄酸化物の分解開始電圧未満となったときに前記第1電極に吸着していた硫黄が当該第1電極において再酸化反応して硫黄酸化物へと戻ることにより前記第1電極と前記第2電極との間に流れる電流に起因して前記出力電流に生じる変化であって前記排気に含まれる前記硫黄酸化物の濃度が高いほど大きくなる前記出力電流に生じる変化、の程度に相関を有する第2パラメータ(Ia2)を、少なくとも前記第2降圧スイープ中の前記出力電流を用い且つ前記第1特定手法と同じ第2特定手法に従って取得し(図14及び図16のそれぞれのステップ1415、図15及び図17のそれぞれのステップ1515)、
前記第1パラメータと前記第2パラメータとの差分(Id)又は比(Ir)をSOx検出用パラメータとして算出し、当該SOx検出用パラメータに基づいて前記排気中に所定濃度以上の硫黄酸化物が含まれているか否かの判定(図14のステップ1420、図15のステップ1520)又は前記排気中の硫黄酸化物の濃度の検出(図16のステップ1610、図17のステップ1710)を行う、
ように構成されている。
前記第1印加電圧スイープと前記第2印加電圧スイープとは、互いに単位時間当たりの電圧変化量で表される掃引速度が同一である。
前記測定制御部は、
前記第1特定手法として、
前記第1印加電圧スイープを行う前に、前記電圧印加部を用いて、前記印加電圧を、前記限界電流域内の空燃比検出用印加電圧、に設定し、前記印加電圧が前記空燃比検出用印加電圧に設定されているときに前記電流検出部により検出される出力電流を第1電流(図11のステップ1130)として取得し、
前記第1降圧スイープ中の所定の第1期間における前記出力電流に特定の相関を有する値を、前記電流検出部により検出される出力電流に基づいて第2電流として取得し(図11のステップ1155)、
前記取得した第1電流と前記取得した第2電流との差分を算出する、
手法、を用いて当該算出した差分を前記第1パラメータとして取得し(図14及び図16のそれぞれのステップ1415、図15及び図17のそれぞれのステップ1515)、
前記第2特定手法として、
前記第1印加電圧スイープを行った後、且つ、前記第2印加電圧スイープを行う前に、前記電圧印加部を用いて、前記印加電圧を、前記空燃比検出用印加電圧、に設定し、前記印加電圧が前記空燃比検出用印加電圧に設定されているときに前記電流検出部により検出される出力電流を第3電流(図13のステップ1330)として取得し、
前記第2降圧スイープ中であって前記印加電圧が前記第3電圧より高く前記硫黄酸化物の分解開始電圧以下の範囲になっている第2期間の前記出力電流に前記特定の相関を有する値を、前記電流検出部により検出される出力電流に基づいて第4電流として取得し(図13のステップ1355)、
前記取得した第3電流と前記取得した第4電流との差分を算出する、
手法、を用いて当該算出した差分を前記第2パラメータとして取得する(図14及び図16のそれぞれのステップ1415、図15及び図17のそれぞれのステップ1515)、
ように構成されている。
前記測定制御部は、
前記第1降圧スイープ中であって前記印加電圧が前記第1電圧より高く前記硫黄酸化物の分解開始電圧以下の範囲内の所定の電流検出電圧になったときに前記電流検出部により検出される出力電流を、前記第1期間の前記出力電流に前記特定の相関を有する値である前記第2電流として取得し(図11のステップ1155)、
前記第2降圧スイープ中であって前記印加電圧が前記電流検出電圧になったときに前記電流検出部により検出される出力電流を、前記第2期間の前記出力電流に前記特定の相関を有する値である前記第4電流として取得する(図13のステップ1355)、
ように構成されている。
前記測定制御部は、
前記第1電流と前記第3電流との差分の大きさが閾値差分以下であるか否かを判定し(図14乃至図17のそれぞれのステップ1410)、
前記差分の大きさが閾値差分以下である場合のみ(図14乃至図17のそれぞれのステップ1410にて「Yes」との判定)、前記排気中に前記所定濃度以上の硫黄酸化物が含まれているか否かの前記判定(図14のステップ1420、図15のステップ1520)又は前記排気中の硫黄酸化物の濃度の前記検出を行う(図16のステップ1610、図17のステップ1710)ように構成されている。
前記測定制御部は、前記SOx検出用パラメータ及び前記第3電流に基づいて、硫黄酸化物の濃度を検出する(図16のステップ1610、図17のステップ1710)ように構成されている。
前記測定制御部は、
前記SOx検出用パラメータの大きさが所定の閾値以上であるか否かを判定し(図14のステップ1420、図15のステップ1520)、
前記SOx検出用パラメータの大きさが前記閾値以上であると判定した場合(図14のステップ1420にて「Yes」との判定、図15のステップ1520にて「Yes」との判定)、前記排気中に前記所定濃度以上の硫黄酸化物が含まれていると判定し(図14のステップ1425、図15のステップ1425)、
前記SOx検出用パラメータの大きさが前記閾値未満と判定した場合、前記排気中に前記所定濃度以上の硫黄酸化物が含まれていない(図14のステップ1435、図15のステップ1435)と判定するように構成されている。
本発明の第1実施形態に係るガス検出装置(以下、「第1検出装置」と称呼される場合がある。)について説明する。第1検出装置は、図示しない車両に搭載された「図1に示された内燃機関10」に適用される。
次に、ガスセンサ30の構成について、図2を参照しながら説明する。ガスセンサ30が備える素子部40は、固体電解質体41s、第1アルミナ層51a、第2アルミナ層51b、第3アルミナ層51c、第4アルミナ層51d、第5アルミナ層51e、拡散抵抗部(拡散律速層)61及びヒータ71を備える。
第1大気導入路SP2は、固体電解質体41s、第3アルミナ層51c及び第4アルミナ層51dによって形成され、排気管12の外部の大気に開放されている。
次に、第1検出装置が行う作動の概要について説明する。第1検出装置は、ガスセンサ30の印加電圧Vmを後述する酸素濃度検出用の電圧Vafに設定し、そのときの出力電流Imを出力電流Iaf2として取得する。出力電流Iaf2は、内燃機関10から排出される排気(被検ガス)の酸素濃度に応じて変化する電流である。
(酸素濃度を示す出力電流及び酸素濃度の検出)
次に、上述した「排気の酸素濃度に応じて変化する電流である出力電流Iaf2」を検出する際の第1検出装置の作動について説明する。第1検出装置は、ガスセンサ30がセンサ活性の状態になると、出力電流Iaf1を検出するために、第1電極41aが低電位となり且つ第2電極41bが高電位となるように、印加電圧Vmを酸素濃度検出用の電圧Vaf(例えば、0.3V)に設定する。即ち、第1電極41aは陰極として機能し、第2電極41bは陽極として機能する。酸素濃度検出用の電圧Vafは、第1電極41aにおいて酸素(O2)の分解が始まる電圧(分解開始電圧)以上であって後述する酸素の限界電流が観測される電圧であり且つ酸素以外の酸素含有成分の分解開始電圧未満の電圧に設定される。これにより、排気中に含まれる酸素が第1電極41aにおいて還元分解されて酸化物イオン(O2−)となる。
[検出原理及び検出方法]
次に、排気(被検ガス)中のSOx濃度の検出原理及び検出方法について説明する。尚、本明細書においてSOx濃度検出とは、排気に含まれるSOxの濃度を表すSOx濃度検出用パラメータを取得すること、そのSOx濃度検出用パラメータを用いて排気に含まれるSOxの濃度そのものを検出(測定)すること、及び、そのSOx濃度検出用パラメータを用いて排気に所定濃度以上のSOxが含まれているか否かの判定を行うこと、の何れかを指す。
・第1電極41aの面積及び第2電極41bの面積のガスセンサ30間の違い(ばらつき)
・固体電解質41sの体積のガスセンサ30間の違い(ばらつき)
・経年劣化に起因する固体電解質の抵抗及び容量の違い(ばらつき)
「第1印加電圧スイープの掃引速度」と「第2印加電圧スイープの掃引速度」とが同一とは、以下の式(1)で算出される「昇圧スイープの掃引速度」(即ち、単位時間当たりの電圧変化量)及び式(2)で算出される「降圧スイープの速度」の両方が同一であることをいう。
式(1):「昇圧スイープの掃引速度」=「上限電圧−下限電圧」÷「下限電圧から上限電圧に達するまでの時間」
式(2):「降圧スイープの掃引速度」=「上限電圧−下限電圧」÷「上限電圧から下限電圧に達するまでの時間」
・出力電流分Im2b:出力電流分Im2bは、SOxの分解反応、Sの電極への吸着及びSの再酸化反応等の影響(以下、「SOx反応等の影響」と称呼する。)を受けた電極界面に起因する出力電流分である。具体的には、出力電流分Im2bは、図8(A)のブロックS2sの「抵抗R3s及び容量C3s」に起因して変化する出力電流分である。
・出力電流分Im1b:出力電流分Im1bは、SOx反応等の影響を受けない電極界面に起因する出力電流分である。具体的には、出力電流分Im1bは、図8(B)のブロックS2の「抵抗R3及び容量C3」に起因して変化する出力電流分である。
ID=Im2−Im1=(Im2a+Im2b)−(Im1a+Im1b)=Im2b−Im1b
が成立するから、出力電流Im2と出力電流Im1との差分IDは、ガスセンサ30の個体特性(抵抗R1、抵抗R2及び容量C2)に起因した出力電流分が実質的に除去された値となり、且つ、「SOx反応等の影響のみを受けた電極界面に起因した出力電流分」とみなすことができる。
実線c1:ガスセンサCについて第1印加電圧スイープを行ったときの出力電流
実線c2:ガスセンサCについて第2印加電圧スイープを行ったときの出力電流
破線d1:ガスセンサDについて第1印加電圧スイープを行ったときの出力電流
破線d2:ガスセンサDについて第2印加電圧スイープを行ったときの出力電流
次に、第1検出装置の具体的作動について説明する。所定時間が経過する毎に、ECU20のCPU(以下、単に「CPU」と称呼する。)は、図10乃至図14のフローチャートにより示したルーチンのそれぞれを実行する。
・第1取得完了フラグXa1:第1取得完了フラグXa1は、その値が「1」の場合、現時点において第1パラメータIa1の算出に必要な「第1電流Iaf1及び第2電流Is1」の取得が完了していることを表す。第1取得完了フラグXa1は、その値が「0」の場合、現時点において「第1電流Iaf1及び第2電流Is1」の少なくとも一方の取得が完了してないことを表す。
・第2取得完了フラグXa2:第2取得完了フラグXa2は、その値が「1」の場合、現時点において第2パラメータIa2の算出に必要な「第3電流Iaf2及び第4電流Is2」の取得が完了していることを表す。第2取得完了フラグXa2は、その値が「0」の場合、現時点において「第3電流Iaf2及び第4電流Is2」の少なくとも一方の取得が完了してないことを表す。
・第1スイープ実行フラグXsw1:第1スイープ実行フラグXsw1は、その値が「1」の場合、現時点において第1印加電圧スイープが実行中であることを示す。第1スイープ実行フラグXsw1は、その値が「0」の場合、現時点において第1印加電圧スイープが実行中ではないことを示す。
・第2スイープ実行フラグXsw2:第2スイープ実行フラグXsw2は、その値が「1」の場合、現時点において第2印加電圧スイープが実行中であることを示す。第2スイープ実行フラグXsw2は、その値が「0」の場合、現時点において第2印加電圧スイープが実行中ではないことを示す。
・第1電圧保持処理完了フラグX1hk:第1電圧保持処理完了フラグX1hkは、その値が「1」の場合、現時点において第1電圧保持処理が完了していることを示す。第1電圧保持処理完了フラグX1hkは、その値が「0」の場合、現時点において第1電圧保持処理が完了していないことを示す。
・SOx濃度検出完了フラグXSOx:SOx濃度検出完了フラグXSOxは、その値が「1」の場合、現時点においてSOx濃度検出が完了したことを示す。SOx濃度検出完了フラグXSOxは、その値が「0」の場合、現時点においてSOx濃度検出が完了していないことを示す。
ステップ1050:CPUは、目標インピーダンスフィードバックによるヒータ通電制御を実行する。即ち、温度情報としてステップ1040にて取得した素子インピーダンスを予め設定した目標インピーダンスに一致させるようにヒータ71の通電を制御する(例えば、特開2002−71633号公報及び特開2009−53108号公報等を参照。)。
ステップ1060:CPUは、第1電極41a及び第2電極41b間に酸素濃度検出用(即ち、A/F検出用)の印加電圧Vaf(具体的に述べると0.3V)を印加する。即ち、CPUは、印加電圧Vmを酸素濃度検出用の印加電圧Vafに設定する。
・内燃機関10が暖機後の状態である(即ち、冷却水温THWが暖機水温THWth以上である。)。
・ガスセンサ30がセンサ活性である。
・燃料カット(フューエルカット)状態ではない。
・機関の空燃比A/Fが安定している。即ち、内燃機関10の運転状態がアイドル状態か、又は、車両の運転状態が定常走行状態である。尚、内燃機関10の運転状態がアイドル状態であるか否かは、「アクセルペダル操作量APが「0」であり、且つ、機関回転速度NEが所定回転数以下である状態」が所定アイドル時間以上継続しているか否かを判定することにより判定される。車両の運転状態が定常走行状態であるか否かは、「アクセルペダル操作量APの単位時間あたりの変化量が閾値操作変化量以下であり且つ図示しない車速センサにより検出される車両の速度の単位時間あたりの変化量が閾値車速変化量以下である状態」が所定定常走行閾値時間以上継続しているか否かを判定することにより判定される。
・イグニッション・キー・スイッチがオフ位置からオン位置へと変更されたのちにオフ位置へと変更される前に(即ち、今回の内燃機関10の始動後において)、一度も、SOx濃度検出が行われていない(SOx濃度検出完了フラグXSOxの値が「1」ではない。)。
ステップ1170:CPUは、第1取得完了フラグXa1の値を「1」に設定する。
ステップ1370:CPUは、印加電圧Vmを酸素濃度検出用の印加電圧Vafに設定する。
・第1取得完了フラグXa1
・第2取得完了フラグXa2
・第1電圧保持処理完了フラグX1hk
次に、本発明の第2実施形態に係るガス検出装置(以下、「第2検出装置」と称呼される場合がある。)について説明する。この第2検出装置は、SOx濃度検出に用いるSOx検出用パラメータとして「差分Id(=Ia2−Ia1)」に代えて、「比Ir(=Ia2/Ia1)」を用いる点のみにおいて第1検出装置と相違している。
次に、第2検出装置の具体的作動について説明する。所定時間が経過する毎に、ECU20のCPUは、図10乃至図13に示したルーチン、及び、図14に代わる図15に示したルーチンのそれぞれを実行する。図10乃至図13に示したルーチンに基づく作動は、第1検出装置のそれらのルーチンに基づく作動と同一であり、既に説明済みである。よって、それらの説明を省略する。
以上、本発明の各実施形態について具体的に説明したが、本発明は、上述の各実施形態に限定されず、本発明の技術的思想に基づく各種の変形例を採用し得る。
第1検出装置は、差分Idの大きさと閾値差分Idthとを比較することによって、排気中に所定濃度以上のSOxが含まれているか否かを判定しているが、以下に述べるように、差分Idに基づいて排気中のSOx濃度を取得するようにしてもよい。
第2検出装置は、比Irの大きさと閾値比Irthとを比較することによって、排気中に所定濃度以上のSOxが含まれているか否かを判定しているが、以下に述べるように、比Irに基づいて排気中のSOx濃度を取得するようにしてもよい。
Claims (7)
- 内燃機関の排気通路に設けられ、酸化物イオン伝導性を有する固体電解質体と前記固体電解質体の表面にそれぞれ形成された第1電極及び第2電極とを含む電気化学セルと、前記排気通路を流れる排気が通過可能な多孔質材料からなる拡散抵抗体とを備え、前記排気通路を流れる排気が前記拡散抵抗体を通して前記第1電極に到達するように構成された素子部と、
前記第1電極と前記第2電極との間に電圧を印加する電圧印加部と、
前記第1電極と前記第2電極との間に流れる電流である出力電流を検出する電流検出部と、
前記電圧印加部を用いて前記第1電極と前記第2電極との間に印加される電圧である印加電圧を制御すると共に前記電流検出部を用いて前記出力電流を取得し、前記取得した出力電流に基づいて、前記排気中に所定濃度以上の硫黄酸化物が含まれているか否かの判定又は前記排気中の硫黄酸化物の濃度の検出を行う測定制御部と
を有し、
前記測定制御部は、
前記出力電流が酸素の限界電流となる限界電流域の下限電圧よりも高く硫黄酸化物の分解開始電圧未満である第1電圧範囲内から選ばれる第1電圧から、前記第1電圧より高く且つ前記硫黄酸化物の分解開始電圧より所定値高い電圧以下である第2電圧まで、上昇させる第1昇圧スイープを実行した後、前記第2電圧から前記第1電圧まで下降させる第1降圧スイープを実行する第1印加電圧スイープを少なくとも1サイクル行い、
第1パラメータを、少なくとも前記第1降圧スイープ中の前記出力電流を用い且つ所定の第1特定手法に従って取得し、
前記第1印加電圧スイープを行った後、前記電圧印加部を用いて前記印加電圧を、前記第1電圧範囲内から選ばれる第3電圧から、前記硫黄酸化物の分解開始電圧よりも高く且つ前記第2電圧より高い第4電圧まで、上昇させる第2昇圧スイープを実行した後、前記第4電圧から前記第3電圧まで下降させる第2降圧スイープを実行する第2印加電圧スイープを少なくとも1サイクル行い、
前記第2降圧スイープを行っている期間に前記印加電圧が前記硫黄酸化物の分解開始電圧未満となったときに前記第1電極に吸着していた硫黄が当該第1電極において再酸化反応して硫黄酸化物へと戻ることにより前記第1電極と前記第2電極との間に流れる電流に起因して前記出力電流に生じる変化であって前記排気に含まれる前記硫黄酸化物の濃度が高いほど大きくなる前記出力電流に生じる変化、の程度に相関を有する第2パラメータを、少なくとも前記第2降圧スイープ中の前記出力電流を用い且つ前記第1特定手法と同じ第2特定手法に従って取得し、
前記第1パラメータと前記第2パラメータとの差分又は比をSOx検出用パラメータとして算出し、当該SOx検出用パラメータに基づいて前記排気中に所定濃度以上の硫黄酸化物が含まれているか否かの判定又は前記排気中の硫黄酸化物の濃度の検出を行う、
ように構成された、
ガス検出装置。 - 請求項1に記載のガス検出装置において、
前記第1印加電圧スイープと前記第2印加電圧スイープとは、互いに単位時間当たりの電圧変化量で表される掃引速度が同一である、
ガス検出装置。 - 請求項1又は請求項2に記載のガス検出装置において、
前記測定制御部は、
前記第1特定手法として、
前記第1印加電圧スイープを行う前に、前記電圧印加部を用いて、前記印加電圧を、前記限界電流域内の空燃比検出用印加電圧、に設定し、前記印加電圧が前記空燃比検出用印加電圧に設定されているときに前記電流検出部により検出される出力電流を第1電流として取得し、
前記第1降圧スイープ中の所定の第1期間における前記出力電流に特定の相関を有する値を、前記電流検出部により検出される出力電流に基づいて第2電流として取得し、
前記取得した第1電流と前記取得した第2電流との差分を算出する、
手法、を用いて当該算出した差分を前記第1パラメータとして取得し、
前記第2特定手法として、
前記第1印加電圧スイープを行った後、且つ、前記第2印加電圧スイープを行う前に、前記電圧印加部を用いて、前記印加電圧を、前記空燃比検出用印加電圧、に設定し、前記印加電圧が前記空燃比検出用印加電圧に設定されているときに前記電流検出部により検出される出力電流を第3電流として取得し、
前記第2降圧スイープ中であって前記印加電圧が前記第3電圧より高く前記硫黄酸化物の分解開始電圧以下の範囲になっている第2期間の前記出力電流に前記特定の相関を有する値を、前記電流検出部により検出される出力電流に基づいて第4電流として取得し、
前記取得した第3電流と前記取得した第4電流との差分を算出する、
手法、を用いて当該算出した差分を前記第2パラメータとして取得する、
ように構成された、ガス検出装置。 - 請求項3に記載のガス検出装置において、
前記測定制御部は、
前記第1降圧スイープ中であって前記印加電圧が前記第1電圧より高く前記硫黄酸化物の分解開始電圧以下の範囲内の所定の電流検出電圧になったときに前記電流検出部により検出される出力電流を、前記第1期間の前記出力電流に前記特定の相関を有する値である前記第2電流として取得し、
前記第2降圧スイープ中であって前記印加電圧が前記電流検出電圧になったときに前記電流検出部により検出される出力電流を、前記第2期間の前記出力電流に前記特定の相関を有する値である前記第4電流として取得する、
ように構成された
ガス検出装置。 - 請求項3又は請求項4に記載のガス検出装置において、
前記測定制御部は、
前記第1電流と前記第3電流との差分の大きさが閾値差分以下であるか否かを判定し、
前記差分の大きさが閾値差分以下である場合のみ、前記排気中に前記所定濃度以上の硫黄酸化物が含まれているか否かの前記判定又は前記排気中の硫黄酸化物の濃度の前記検出を行うように構成された、
ガス検出装置。 - 請求項3乃至請求項5の何れか一項に記載のガス検出装置において、
前記測定制御部は、前記SOx検出用パラメータに基づいて前記排気中の硫黄酸化物の濃度の前記検出を行うように構成されており、
前記測定制御部は、前記SOx検出用パラメータ及び前記第3電流に基づいて、硫黄酸化物の濃度を検出するように構成された、
ガス検出装置。 - 請求項1乃至請求項5の何れか一項に記載のガス検出装置において、
前記測定制御部は、前記排気中に前記所定濃度以上の硫黄酸化物が含まれているか否かの前記判定を行うように構成されており、
前記測定制御部は、
前記SOx検出用パラメータの大きさが所定の閾値以上であるか否かを判定し、
前記SOx検出用パラメータの大きさが前記閾値以上であると判定した場合、前記排気中に前記所定濃度以上の硫黄酸化物が含まれていると判定し、
前記SOx検出用パラメータの大きさが前記閾値未満と判定した場合、前記排気中に前記所定濃度以上の硫黄酸化物が含まれていないと判定するように構成された、
ガス検出装置。
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