JPH05505886A - 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

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 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 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、その複雑な構造か欠点である。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（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、備え付はスペースも比較的大きなものとなる。更に、 嵩か大きいことと、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 ルギか消費される。この公知のシステムの重要な欠点は、ポータプル性がないこ 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、参照カス混合体として空気を供給しなけれはな 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を、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は 可能て、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（Ｚ　ｒ　Ｏ２で約２Ｖ）より大きな電圧かかかる場合、必要 に応じて、電気絶縁酸化物層か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か得られる。更に、プレート片の使用によって複雑で高価 なハウシングを必要としない非常に小さな構造が実現する。寸法か小さいことと 、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。構成部材か層としてのみ形成 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かで きる。密封試験も必要かなくなる。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ＺｒＯ ２のような固体電解質のための扱いにくく高価な材料か僅かて済む。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Ｃ０１ＮＯ１又はＨ Ｃ及び０２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か生しる。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 Ｖｌ−Ｖｌ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か備えられていて、二の温度センサ８は前記面７にその接点 ８２を有しており、この接点８２に、図示されていないか電気配線の接点か接続 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を育している。

平面視て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、ｌｌｂ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焼結によって製造されるプラナ−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 ジングか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 間にわずかな間隔か形成されており、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 のポテンシャルか測定される。

図５には、第３実施例が示されている。この実施例ては、プレート片６はセラミ ック、好ましくはＡ１□０．から作られており、これに固体電解質１２としてイ ツトリウム安定化Ｚｒ○２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か、その裏側には （図６）更に抵抗ヒータ層ｌＯか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１８．１９．２２．２３ か設けられており、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か決定される。

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か設けられている。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 の接続か可能となる。

要約書 本発明は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に関 する。公知技術の欠点は、複雑な構造と、大きなエネルギ消費と、大きなスペー スの必要性、及びその大きさからもたらされる温度分布の不均一による低い測定 精度、接続時の慣性である。この従来技術の欠点は、本発明による装置によれば 、支持体かプレート片として形成され、プレート片の一方の面に少なくとも２つ の電極か互いに間隔をあけて配置された薄い層として形成されており、セラミッ クプレート片の一方の面に、更に電極によって間隔をあけられている温度センサ か設けられており、プレート片の他方の面に電気抵抗ヒータ層かヒータとして設 けられていることによって解消される。

国際調査報告 国際調査報告

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．多孔性固体組織を有し好ましくは金属又は金属酸化物或いはその両方を含み ガス状成分と相互作用する電極と少なくとも２つの酸素イオン伝導固体電解質と を薄い層として設けた支持体を備えたガス混合体中の少なくとも１つのガス伏成 分の濃度を連続的にモニタするための装置であって、前記成分の濃度に依存する 電気測定信号が生成され、更にヒータと、前記電気測定信号の取り出しと接続の ための電気リード線とを備え、前記信号はコンピュータで電子的に評価され、濃 度値に変換されるものにおいて、 前記支持体がプレート片（６）として形成されていて、 前記プレート片の一方の面に少なくとも２つの電極（１１ａ、１１ｂ）が互いに 間隔をあけて配置された薄い層として形成されており、 前記セラミックプレート片（６）の一方の面（７）に更に前記電極（１１ｂ、１ １ｂ）によって間隔をあけられている温度センサ（８）が設けられていて、前記 プレート片（６）の他方の面に電気抵抗ヒータ層（１０）がヒータとして設けら れていることを特徴とする装置。 ２．前記プレート片（６）自体は固体電解質から形成され、前記電気測定信号は 前記温度センサ（８）又は電気抵抗ヒータ層（１０）のいずれかと、各電極（１ １ａ、１１ｂ）との間で生じることを特徴とする請求項１に記載の装置。 ３．前記温度センサ（８）が前記プレート片（６）の縁部で前記電極（１１ａ、 １１ｂ）を囲むように設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の 装置。 ４，前記温度センサが前記プレート片（６）の中央部で前記電極（１１ａ、１１ ｂ）の間に蛇行状に配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の装 置。 ５．前記プレート片（６）は非イオン伝導性セラミックとして形成され、前記一 方の面（７）に温度センサ（８）、及び層として形成されるとともにその上に電 極（１１ａ、１１ｂ）と温度センサ（８）とを設けている固体電解質（１２）を 備えていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の装置。 ６．前記プレート片（６）は酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）を備えていること を特徴とする請求項５に記載の装置。 ７．前記セラミック製のプレート片（６）は電気配線（２０、２１、２５）のた めの接点部（２４）を備えていることを特徴とする請求項４〜６のいずれかに記 載の装置。 ８．前記固体電解質（１２）は安定化した酸化ジルコン（ＺｒＯ２）を備えてい ることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の装置。 ９．前記は電気抵抗ヒータ層（１０）は蛇行線として形成されていることを特徴 とする請求項１〜８のいずれかに記載の装置。 １０．全ての層である、電極（１１ａ、１１ｂ、１３−１６、１８、１９、２２ 、２３）、固体電解質（１２）の薄い層、温度センサ（８）、抵抗ヒータ層（１ ０）が厚膜技術によりプレート片（６）に形成されていることを特徴とする請求 項１〜９のいずれかに記載の装置。 １１．前記層はスクリーン印刷によって形成されることを特徴とする請求項１０ に記載の装置。 １２．請求項１の上位概念部に記載された装置において、前記電極（１１）が金 を備えていることを特徴とする装置。