JPH07506905A - ガス混合気のガス成分及び／又はガス濃度の検出方法 - 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】 ガス混合気のガス成分及び／又はガス濃度の検出方法従来の技術 本発明は、請求の範囲第１項の上位概念によるガス混合気のガス成分及び／又は ガス濃度の検出方法に関する。

請求の範囲第１項の上位概念に記載のようなガス混合気の穫々異なるガス成分の 検出方法は例えば公知文献”５ｅｎｓｏｒ　ａｎｄ　Ａｃｔｕａｔｏｒ、２０（ １９８９）　（２７７頁〜２８５頁）”から公知である。この方法ではガスセン サの前に配設された反応室においてガス混合気の濃度が温度変化によって規定的 に変調される。この変調に統くセンサ信号が分析され、この分析によって相応す るガス成分が特定される。さらに前記公知文献″５ｅｎｓｏｒ　ａｎｄ　Ａｃｔ ｕａ　ｔｏｒ、２０　（１９８９）”の３３７頁〜３４３頁には当該方法のさら なる改善形態が記載されている。

この場合基準ガスと測定ガスとの間の突発的な切換によりガスセンサにおけるガ ス濃度に跳躍的な影響が及ぼされる。センサ信号の応答関数からはガスの穫類が 特定される。前記２つの公知手法ではガス混合気の濃度の変化がガス相において 生じている。これにより影響を及ぼされたガス混合気は拡散ステップを介しての みガスセンサの感応領域に達する。これにより系は長い応動時間を占める。その 他にも生ぜしめられたガス拡散によって応答関数に歪が生じる。さらにガス拡散 により、可能な変調周波数スペクトルが制限される。

さらに公知文献″５ｅｎｓｏｒ　ａｎｄ　Ａｃｔｕａｔｏｒ　Ｂ、９　（１９９ ２）１８３頁〜１８９頁及び２３３頁へ２３９頁”からはＣＯ−濃度検出のため のセンサ装置が公知である。この装置では電気化学的な酸素−ポンプセルにより 酸素分子がガスセンサーボンピングされる。この場合このガスセンサは測定空間 においてボユ／プセル及びガス混合気に関連なしに配設されている。ここで要求 されているのはガスセンサにおいて十分な酸素濃度が存在することだけである。

この場合酸素成分２１％の空気中のＣＯにおける５ｎＯ３−ガスセンサの抵抗値 は窒素中のＣＯにおける場合よりも３倍大きいことが検出された。

発明の利点 本発明では１種々異なるガスの種別特異性はガスセンサにおける典型的な吸着速 度及び／又は脱着速度によって特徴付けられ得ることが利用されている。

請求の範囲第１項の特徴部分に記載の本発明による方法は次のような利点を有す る。すなわち酸素の横断感度を備えたガスセンサを簡単な手法でもって例えばＣ ｏ、ＮＯＸ、１−（Ｃ等のガス成分の選択的な検出のために用いることが可能と なる。酸素供給によってガス成分への作用が直接的にガスセンサにおいて及ぼさ れると、これにより濃度変化に対するガスセンサの迅速な応答性が生ぜしめられ る。

本発明の別の有利な実施例は従属請求項に記載される。応答関数の特に実際的な 時間特性はガスセンサに対する酸素供給がイオンの形で行われた場合に達成され る。そのためガスセンサの感応領域における酸素の表面的場所移動がガス相を介 した酸素の拡散よりも著しく迅速に行われ得る。本発明による方法の第１の有利 な実施形態では、センサ信号の過渡特性がガスセンサにおける外部から生ぜしめ られた跳躍的なガス濃度の変化によって分析される１本発明による方法の第２の 有利な実施形態では、ガスセンサにおいて一定の酸素濃度を維持するために必要 な相応の酸素供給による濃度の補償が制御技術的に評価される。

図面 図１は本発明による方法を実施するためのセンサ系の実施形態の基本構成断面図 である。

図２にはＳｎＯ□−半導体ガスセンサの導電率の経過が時間軸ｔに亘って示され ている。

実施例の説明 次に本発明を図面に基づき詳細に説明する。

図１に示されているセンサ系は、電気化学的酸素−ポンプセル１０と半導体ガス センサ２０とからなる集積化された構造を有している。酸素イオン導電性の固体 電解質、例えば安定化酸化ジルコニアからなる小板又は膜形状の固体電解質支持 体１２の一方の面には外部ポンプ電極１１が配設され、それに対向する方の面に は内部ポンプ電極１６が配設されている。この２つのポンプ電極１１．１６は、 例えば白金又は白金−サーメットからなる。

半導体ガスセンサ２０は、第１の測定電極１８と第２の測定計１９と多孔性の半 導体金属酸化物層１３を有している１本発明の実施例では半導体金属酸化物層と して５ｎ０２が用いられている。反応領域の形成のために内部ポンプ電極１６の 上に金属酸化物層１３が載置される。測定電極１８．１９は内部ポンプ電極１６ に相対向して相互に間隔をあけて５ｎ０２層１３上に隣接して配設されている。

測定電極１８．１９と金属酸化物層１３は、多孔性の保護層１４によって覆われ ている。この多孔性の保護層１４は層系全体に五って配設されてもよい、その他 にこのセンサ系はここでは図示されていない、層系内に集積化される加熱部を有 している。

ポンプ電極１１及び１６に直流電圧Ｕｐが印加されることにより酸素が外部ポン プ電極１１から内部ポンプ電極１６にボンピングされる。この場合ボンピングさ れるべき酸素はポンプセル１０の外部ポンプ電極１１において存在する基準ガス から取出されるか、またはガス混合気中の酸素化合物から酸素分子又は酸素を外 部ポンプ電極１１を介して吸引するためにセンサ全体が測定ガス中におかれる。

半導体ガスセンサ２ｏの測定電極１８．１９は測定電圧源２３と電流計２２に接 続されている。さらにここでは図示されていない制御回路が設けられている。こ の制御回路はポンプ電極１１．１６と測定電極１８．１９に接続されている。

第１の実施例では電流計２２を用いてガスセンサ２０の導電率σが測定され、制 御回路を用いてポンプ電圧Ｕｐの相応の調整によってガスセンサ２０の導電率が 一定の値に制御される（図２）、さらに図２かられかるように、時点【３におい てポンプ電流が遮断されている。これによりガス混合気中の分圧がガスセンサ２ ０の感応領域の分圧に比べて上昇する０図２においてはこの上昇がΔｐＯ□＋Δ ｐＣＯに対する破線ＩとΔｐＯ２に対する破線ｌ！によって示されている。それ により破線■はＣＯを含んだガス混合気に対する応答関数を示し、破線ＩＩは専 ら０２を含んだガス混合気に対する応答関数を示している。これらの応答関数は 計算装置に供給される。この計算装置は時間特性を分析し応答関数をメモリにフ ァイルされている個々のガス成分及びガス混合気の基準過渡関数と比較する。

ガスの種別毎の典型的な吸着及び／又は脱着速度による、様々なガス成分及びガ ス混合気の種々異なるダイナミック特性に基づいて種々異なる過渡関数が得られ る。そのためこの過渡関数に基づいてガス成分を知ることが可能である１時間ｔ の経過と共に感応領域の酸素過剰状態がセンサ表面における他のガス成分の還元 作用及び過剰酸素の脱着により低減される。これにより一定の導電率が徐々に生 ぜしめられる。この導電率の値は最終的にガス成分及び／又はガス混合気のガス 濃度に関する情報となる。

本発明による第２の実施例はガスセンサ２０の導電率によって可働となる。これ に対してはポンプ電流及び／又はポンプ電圧が相応に変調される。それ自体公知 の信号解析手段によって変調の時間特性がめられる。これに対しては例えば位相 を選択する整流器が用いられる。ポンプ電流とセンサ信号間の位相のずれは個々 のガス成分及びガス混合気に対するメモリされた基準値と比較される。この比較 に基づいて（第１実施例のように）ガス成分が推定される。変調周波数の振幅は 最終的にガス成分及び／又はガス混合気の濃度に関する情報となる。

集積構造を有する前記センサは内部ポンプ電極１６から金属酸化物層１３への溢 れ出し一効果を介しての直接的な酸素移送を利用する。このような電極１６の白 金を介した不均質な接触反応のために表面的場所移動はガス相を介した酸素の拡 散よりも迅速に行われる。

ガス相を介した拡散ではさらに付加的にポンプ電極表面からの酸素の脱着ステッ プと金属酸化物層１３の表面における酸素の吸着ステップが必要である。

また本発明による方法を次のようなセンサを用いて実現してもよい、すなわち内 部ポンプ電極と反応領域との間に多孔性の拡散層または拡散チャネルが設けられ たセンサを用いて実現してもよい、しかしながらこの糧のセンナでは、ガス相へ の酸素の移行に基づいて比較的長い応答時間を計算する必要がある。

フロントページの続き （７２）発明者　リーゲル、　ヨハン ドイツ連邦共和国　７４３２１　ビーテイッヒハイムービッシンゲン　アイヒエ ンヴエーク２７

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. １．ガス混合気、例えば内燃機関の排ガス中のガス混合気のガス成分及び／又は ガス濃度の検出方法であって、ガスセンサにおいてガス濃度の変化によリ惹起さ れるガス混合気の吸着及び／又は脱着速度が評価される、方法において、 ガス濃度の変化をガスセンサヘの可変の酸素供給を介して求めることを特徴とす る、ガス混合気のガス成分及び／又はガス濃度の検出方法。
2. ２．ガス濃度変化に対する応答関数の時間特性を分析し、標準（基準）時間特性 との比較に基づいてガス成分を求める、請求の範囲第１項記載のガス混合気のガ ス成分及び／又はガス濃度の検出方法。
3. ３．接触反応によってイオンに置換された酸素をガスセンサへ移送する電気化学 的ポンプセルからガスセンサヘの酸素供給が行われる、請求の範囲第１項又は２ 項記載のガス混合気のガス成分及び／又はガス濃度の検出方法。
4. ４．ガスセンサに供給されるガス混合気のガス濃度を跳躍的に変化させ、ガスセ ンサのセンサ信号の応答関数の過渡特性からガス濃度を求める、請求の範囲第１ 項〜３項いずれか１項に記載のガス混合気のガス成分及び／又はガス濃度の検出 方法。
5. ５．ガス濃度の跳躍的変化を酸素供給の中断によって起こさせる、請求の範囲第 ４項記載のガス混合気のガス成分及び／又はガス濃度の検出方法。
6. ６．過渡特性に従って生じるセンサ信号の応答関数の振幅を有害成分濃度に対す る尺度として使用する、請求の範囲第４項記載のガス混合気のガス成分及び／ヌ はガス濃度の検出方法。
7. ７．酸素供給の変調によってガスセンサのセンサ信号が変調され、酸素供給の変 調周波数に対する応答一時間特性に基づいてガス成分が求められる、請求の範囲 第１項〜３項いずれか１項に記載のガス混合気のガス成分及び／又はガス濃度の 検出方法。
8. ８．センサ信号の変調のために電気化学的酸素ポンプセルが用いられ、該ポンプ セルのポンプ電流及び／又はポンプ電圧が変調される、請求の範囲第７項記載の ガス混合気のガス成分及び／又はガス濃度の検出方法。
9. ９．変調周波の振幅がガス濃度に対する尺度として用いられる、請求の範囲第７ 項又は８項記載のガス混合気のガス成分及び／又はガス濃度の検出方法。
10. １０．センサ信号の一定の導電率への制御期間中にガスセンサにおける過剰酸素 が調整される、請求の範囲第１項〜９項いずれか１項に記載のガス混合気のガス 成分及び／又はガス濃度の検出方法。
11. １１．ガスセンサとして例えばＳｎＯ２−ガスセンサ等の半導体ガスセンサが用 いられる、請求の範囲第１項〜１０項いずれか１項に記載のガス混合気のガス成 分及び／又はガス濃度の検出方法。