KR100365630B1

KR100365630B1 - 가스내의산소함유량을검출하기위한장치및방법

Info

Publication number: KR100365630B1
Application number: KR1019950704973A
Authority: KR
Inventors: 게르하르트 회쨀
Original assignee: 로베르트 보쉬 게엠베하
Priority date: 1994-03-10
Filing date: 1995-02-28
Publication date: 2003-03-28
Also published as: EP0698209A1; WO1995024643A1; KR960702611A; US5632883A; DE59508340D1; JP3571047B2; JPH08510560A; DE4408021A1; EP0698209B1; BR9505858A

Abstract

본 발명은 샘플링된 가스 내의 산소 함유량을 검출하기 위한 장치 및 방법에 관한 것으로, 상기 장치는 네른스트 이론에 의해 작동하고 측정 전극, 경질 전해질 및 기준 전극을 갖는 적어도 하나의 농조차 전지를 포함하고 있으며, 상기 측정 전극은 상기 샘플링된 가스와 연통되고 경질 전해질을 통해 기준 가스 체적에 연통되는 기준 전극에 연결되며, 상기 기준 가스 체적은 기준 가스 체적과 샘플링된 가스 사이의 입자 교환이 적어도 방지되도록 상기 샘플링된 가스로부터 분리되며, 측정 전극과 기준 전극 사이에서 얻어질 수 있는 상기 농도차 전지의 출력 전압은 샘플링된 가스와 기준 가스 체적 내의 산소 농도 차이의 측정치를 나타내며, 또한 상기 장치는 산소가 경질 전해질 내에서 측정 전극으로부터 기준 전극으로 이동되는 방향으로 결합 상태에서 전류 흐름이 초래되도록 기준 전극 및 측정 전극 사이에서 결합될 수 있는 전류 공급원을 추가적으로 포함하고 있으며, 상기 장치는 결합 상태에서 측정 전극 및 기준 전극 사이의 전압이 전류 공급원에 의해 영향을 받지 않도록 제1 스위칭 상태에서 상기 전류 공급원을 농도차 전지에 결합시키고 제2 스위칭 상태에서 전류 공급원을 농도차 전지로부터 결합 해제시키는 스위칭 수단을 추가적으로 포함하고 있다.

Description

가스 내의 산소 함유량을 검출하기 위한 장치 및 방법

선행 기술

본 발명은 가스, 특히 엔진의 배기 가스 내의 산소 함유량을 검출하기 위한 장치에 관한 것이다.

기준 대기 내의 기준 산소 함유량에 대해 예컨대 산화지르코늄(Zr0₂) 세라믹으로 제조된 농도차 전지(concentration cell)를 이용하여 배기 가스 내의 산소 함유량을 측정하는 것이 알려져 있다. 상기 기준 대기는, 예컨대 외기(ambient air)또는 외부에 대해 거의 또는 완전히 밀봉된 체적 내의 기준 가스에 의해 형성될 수 있다. 배기 가스 및 기준 가스 내의 다양한 산소 분압에서, 상기 전지는 기전력 (Un)을 발생시키는데, 이는 네른스트 방정식(Nernst Equation)에 의하면 산소 분압의 비율(quotient)의 로그값(logarithm)에 따라 결정된다. 공지된 기준 가스 조성에서는, 기전력(Un)이 측정 전극을 통해 상기 전지로부터 구해질 수 있고 배기 가스의 산소 함유량의 측정치로서 사용될 수 있다. 제한된 기준 가스 체적과 관련하여, 상기 기준 가스의 조성이 변화될 수도 있다는 문제점이 발생된다. 예컨대, 확산 과정(diffusion)은 산소 농도의 평형을 발생시켜 기전력(Un)이 사라지게 된다. 이를 극복하기 위하여, 예컨대 독일 공개 공보 제29 06 459호에는 기준 가스 체적이 배기 가스로부터 산소를 연속적으로 공급받는 방식으로 송출 전류(pumpingcurrent, Ip)를 정전류 공급원을 이응하여 측정 전극을 통해 농도차 전지 상에 가하는 것이 공지되어 있다. 따라서, 한편으로는 산소 분압의 차이가 유지되는 것이 가능하다. 다른 한편으로는, 전해질(electrolyte) 및 전극의 송출 저항(Ri)과 관련하여, 전체 신호 Un+Ri·Ip를 발생하기 위해 기전력(Un) 상에 부가적으로 중첩되는 전압 강하(Ri·Ip)로 상기 송출 전류(Ip)가 보내진다.

본 발명의 목적은 저항(Ri)의 온도 의존성으로 인하여 유용한 신호(Un)의 변동(perturbation)을 나타내는 부가적 오프셋량(Ri·Ip)이 제거되게 하는 방법 및 장치를 구체화하는 것이다.

본 발명의 목적은 샘플링된 가스 내의 산소 함유량을 검출하기 위한 장치를 제공함으로써 본 발명에 의해 달성되며, 상기 장치는 네른스트 이론에 의해 작동하고 측정 전극, 경질 전해질 및 기준 전극을 갖는 적어도 하나의 농도차 전지를 포함하고 있으며, 상기 측정 전극은 상기 샘플링된 가스와 연통되고 경질 전해질을 통해 기준 가스 체적에 연통되는 기준 전극에 연결되며, 상기 기준 가스 체적은 기준 가스 체적과 샘플링된 가스 사이의 입자 교환이 적어도 방지되도록 상기 샘플링된 가스로부터 분리되며, 측정 전극과 기준 전극 사이에서 얻어질 수 있는 상기 농도차 전지의 출력 전압은 샘플링된 가스와 기준 가스 체적 내의 산소 농도 차이의 측정치를 나타내며, 또한 상기 장치는 산소가 경질 전해질 내에서 측정 전극으로부터 기준 전극으로 이동되는 방향으로, 결합 상태에서 전류 흐름이 초래되도록 기준전극 및 측정 전극 사이에서 결합될 수 있는 전류 공급원을 추가적으로 포함하고 있으며, 상기 장치는 해제 상태에서 측정 전극 및 기준 전극 사이의 전압이 전류공급원에 의해 영향을 받지 않도록 제1 스위칭 상태에서 상기 전류 공급원을 농도차 전지에 결합시키고 제2 스위칭 상태에서 전류 공급원을 농도차 전지로부터 결합해제시키는 스위칭 수단을 추가적으로 구비하고 있다.

상기 장치를 이용하여 샘플링된 가스 내의 산소 함유량을 검출하기 위한 해당 방법은 상기 스위칭 수단이 제2 스위칭 상태에 있는 상황에서 산소 함유량을 검출 하기 위해 사용되는 측정 전극 및 기준 전극 사이의 전압이 특징인 변수에 의해 구분된다.

따라서, 샘플링된 가스와 기준 가스 사이에서 얻어질 수 있는 전압에 대한 상기 송출 전류의 온도 의존성이 회피될 수 있고, 그 결과 농도차 전지의 복잡한 온도 제어도 처리될 수 있다.

본 발명의 설명적 실시예는 첨부 도면에 개시되며, 이하 상세히 설명된다.

이러한 경우, 상기 실시예에 있어서, 통상 차량의 동력 공급원인 엔진의 배기 가스에 의해 샘플링된 가스가 제공된다.

제1도는 하나의 벽(1)이 도시되어 있는 배기 가스 파이프 내의 배기 가스 프로우브(probe, 2)를 단면으로 도시하고 있다. 상기 벽은 (좌측의) 엔진의 배기 가스와 (우측의) 외기를 분리시킨다. 배기 가스 프로우브는 배기 가스에 노출된 측정 전극(4) 및 기준 전극(5) 사이에 경질 전해질(3)을 그 배기 가스 측 부분에 보유하고 있다. 측정 전극(4)과 연통하는 기준 가스 체적(6)은 배기 가스 뿐만 아니라 외기와도 직접 접촉하지 않는다. 기준 가스 체적 내에 형성될 수 있는 잉여 압력은 외기로의 간접 연결부를 통해, 예컨대 다공성 측정 공급기(10)를 통해 강하된다.기준 전극이 연결되는 상기 공급기(10)와 상기 측정 전극과 연통하는 공급기(9) 사이의 연결을 위해 직류 전압 공급원(8, Uv)과 스위칭 수단(12)을 통과하는 직렬 저항(7, Rv)을 포함하는 전류 공급원이 제공되고, 이러한 설비는 전적으로 송출 전류 공급원의 설명적 실시예로만 고안된 것이다. 선택적으로, 상기 송출 전류는 소정의 다른 방법, 예컨대 정전류 공급원에 의해 발생될 수 있다. 스위칭 수단(12)의 스위칭 상태에 따라 측정 전극과 기준 전극 사이의 전압(US)은 다양하게 조합된다. 스위칭 수단이 비전도성일 때 경우에 전압(US)은 농도차 전지의 네른스트 전압(Un)과 동일하고, 전도성 스위칭 수단의 경우에 US = Un + Ri·IP가 되며, Ip는 전류 공급원에 의해 공급되는 송출 전류를 나타내고, Ri는 농도차 전지의 내부 저항을 나타낸다.

상기 스위칭 수단(12)은, 예컨대 신호 S를 이용하여 제어 회로 장치(11)에 의해 전도 상태로부터 비전도 상태로 번갈아 가며 구동되는 트랜지스터 스위치에 의하여 구현될 수 있다.

비전도 상태에서 US = Un인 신호는 온도 의존 오프셋량(Ri·Ip)과 무관하게 되고, 예컨대 혼합기 제어를 위해 배기 가스의 산소 함유량의 측정치로서 사용될 수 있다.

안정된 기준 가스 대기를 유지시키기 위해, 전도성 스위칭 수단(12)의 경우 장시간에 걸쳐 평균적으로 송출 전류(Ip)에 의한 산소 공급이 발생되는 산소 손실을 초과하는 것이 필수적이다. 상기 손실은 비전도성 수단(12)의 경우, 측정 스위칭기(measuring shunt)를 통해 전압 측정이 전류 측정으로 되는 때에 US = Un인 전압 측정의 결과에 의해 반드시 발생한다. 배기 가스 프로우브의 출력 전압(Un)의 크기 정도가 1V인 전압을 측정함에 있어서는 메가오옴(megaohm) 범위의 측정 절환기가 통상 사용된다. 결국, 측정된 전류는 마이크로암페어(microampere) 범위가 될 것이다. 전해질에 있어서, 상기 전류는 기준 가스 체적으로부터 공급된 산소 이온에 의해 생성되고, 그 결과 기준 가스 체적 내의 산소 농도는 측정에 의해 감소하게 된다.

농도차 전지의 기전력에 대한 상기 효과의 영향을 낮은 수준으로 유지시키기 위해서, 차량용 배기 가스 프로우브 분야에서 사용되는 기준 가스 체적은 측정 시간을 50 내지 150 밀리초(millisecond)로 제한하고 송출 전류(Ip)의 공급 시간으로 상기 시간의 대략 1/10을 이용하는 것이 효과적이다. 예컨대, 측정 전류가 1 마이크로암페어로 100 밀리초 동안 측정되는 것으로 가정하면, 기준 가스 체적으로부터 공급된 산소 이온에 의해 전송되는 이들 변수의 곱에 해당하는 전하량은 송출 전류 (Ip)로 대체되어야 한다. 본 실시예에서 선택된 상태에서는, 적어도 10 마이크로 암페어의 송출 전류를 필요로 한다. 안정된 기준 가스 조성을 보장하기 위해 상기 최소 송출 전류는 2 내지 3 정도의 보정 계수(factor)에 의해 증가되는 것이 바람직하다. 상기 측정 시간의 l/10을 사용하는 대신에, l/20 내지 l/2에 이르는 측정 시간을 갖는 송출 시간 값이 효과적으로 사용될 수도 있다.

Claims

샘플링된 가스 내의 산소 함유량을 검출하기 위한 장치에 있어서,

상기 장치는 네른스트 이론에 의해 작동하고 측정 전극, 경질 전해질 및 기준 전극을 갖는 적어도 하나의 농도차 전지를 포함하고 있으며, 상기 측정 전극은 상기 샘플링된 가스와 연통되고 경질 전해질을 통해 기준 가스 체적에 연통되는 기준 전극에 연결되며, 상기 기준 가스 체적은 기준 가스 체적과 샘플링된 가스 사이의 입자 교환이 적어도 방지되도록 상기 샘플링된 가스로부터 분리되며, 측정 전극과 기준 전극 사이에서 얻어질 수 있는 상기 농도차 전지의 출력 전압은 샘플링된 가스와 기준 가스 체적 내의 산소 농도 차이의 측정치를 나타내며, 또한 상기 장치는 산소가 경질 전해질 내에서 측정 전극으로부터 기준 전극으로 이동되는 방향으로 결합 상태에서 전류 흐름이 발생되도록 기준 전극 및 측정 전극 사이에서 결합될 수 있는 전류 공급원을 추가적으로 포함하고 있으며, 상기 장치는 해제 상태에서 측정 전극 및 기준 전극 사이의 전압이 전류 공급원에 의해 영향을 받지 않도록 제1 스위칭 상태에서 상기 전류 공급원을 농도차 전지에 결합시키고 제2 스위칭 상태에서 전류 공급원을 농도차 전지로부터 결합 해제시키는 스위칭 수단을 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
상기 제1항에 청구된 장치를 이용하여 샘플링된 가스 내의 산소 함유량을 검출하기 위한 방법에 있어서,

측정 전극 및 기준 전극 사이의 전압이 그 특징이 되는 변수가 스위칭 수단이 제2 스위칭 상태에 있을 때 산소 함유량을 검출하기 위해 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
제2항에 있어서,

상기 스위칭 수단은 상기 2개의 스위칭 상태 사이에서 주기적으로 스위칭되는 것을 특징으로 하는 방법.
제3항에 있어서,

상기 2개의 스위칭 상태가 각각 존속하는 시간의 비율은 제1 스위칭 상태에서의 기준 가스 체적으로의 산소의 유입이 장시간에 걸쳐 평균적으로 제2 스위칭 상태에서의 기준 가스 체적으로부터의 산소의 유출을 초과하는 것을 특징으로 하는 방법.
제4항에 있어서,

제1 스위칭 상태의 존속 시간은 제2 스위칭 상태의 존속 시간의 l/20 내지 l/2가 되는 것을 특징으로 하는 방법.