KR20100038285A - 측정된 유체의 이온 농도를 측정하는 시스템, 장치, 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 장치, 시스템 및 방법은 센서 셀(1006)(206)의 출력 신호에 따라 측정 셀(1006) 내의 이온의 흐름을 변화시킴으로써 측정된 유체의 이온 농도를 측정하는 효율 및 정밀도를 최대화한다. 펌프 셀을 통한 펌프 전류는 출력 신호의 상한 및 하한 임계값이 도달되는 경우 일정한 플러스 전류와 일정한 마이너스 전류 사이에 스위칭된다. 변화하는 전류에 의해 생성되는 구형파의 펄스 폭 비는 교정 프로시저로부터 유도되는 펄스 폭 비 함수와 비교되어 측정된 유체의 이온 농도를 결정한다. 일 실시예에서, 펌프 셀 및 감지 셀의 기능은 단일 전기화학 셀(1006)에 의해 행해진다. 화합물의 농도가 결정되는 실시예에서, 제 1 전기화학 셀 시스템(1404)은 화합물의 원소의 이온을 측정 챔버(1402) 내외로 펌핑한다. 제 2 전기화학 셀 시스템(1406)은 화합물을 제 1 전기화학 셀 시스템(1404)에 의해 펌핑되는 것과 동일한 원소의 이온으로 환원시킨다. 제 2 전기화학 셀 시스템(1606)은 제 1 전기화학 셀 시스템(1404)에 의해 측정되는 일반적인 이온 농도(1420)와 제 2 전기화학 셀 시스템(1406)에 의해 측정되는 국부적인 이온 농도(1422) 간의 관계에 따라 이온을 측정 챔버(1402) 내외로 펌핑한다. 제 2 전기화학 셀 시스템을 통하여 흐르는 2차 펌프 전류의 듀티 사이클은 화합물의 농도를 나타낸다.
전기화학 셀 시스템, 펌프 전류, 펌프 셀, 이온 농도, 전류 관리 유닛, 컴퓨팅 장치, 출력 신호, 펄스 폭 비, 센서 관리 장치, 산소 측정 장치, 센서 셀

Description

측정된 유체의 이온 농도를 측정하는 시스템, 장치, 및 방법{SYSTEM, APPARATUS, AND METHOD FOR MEASURING AN ION CONCENTRATION OF A MEASURED FLUID}
관련 출원
본 출원은 2005년 10월 5일자 출원된 "System, Apparatus, And Method For Measuring An Oxygen Concentration Of A Gas" 명칭의 미국 특허출원 제11/244,210호의 일부 계속 특허출원인 2007년 6월 25일자 출원된 "System, Apparatus, And Method For Measuring An Ion Concentration Of A Fluid" 명칭의 미국 특허출원 제11/767,629호의 일부 계속 출원이며, 현재는 2003년 11월 1일자 출원된 미국 특허출원 제10/699,182호의 분할출원인 미국 특허 제7,249,489호이며, 현재는 "System, Apparatus, And Method For Measuring An Oxygen Concentration Of A Gas" 명칭의 2003년 1월 30일자 출원된 미국 가특허출원 제 60/443,628호의 우선권 주장 출원한 "System, Apparatus, And Method For Measuring An Oxygen Concentration Of A Gas" 명칭의 미국 특허 제6,978,655호이며, 이 모두는 본원에 전체적으로 참고로 반영되어 있다. 본 출원은 또한 2007년 6월 8일자 출원된 "Pulse Width Modulation Wideband Ion Sensor" 명칭의 미국 가특허출원 제 60/942,781호의 우선권 주장 출원이며 본원에 전체적으로 참고로 반영되어 있다.
본 발명은 일반적으로 이온 센서에 관한 것이며, 보다 구체적으로 측정된 유체의 이온 농도를 모니터링하는 장치, 시스템 및 방법에 관한 것이다.
광대역 이온 센서는 유체가 가스 또는 액체일 수 있는 유체 내의 특정 이온의 농도를 측정하는데 사용된다. 광대역 가스 이온 센서의 일반적인 사용은 가스 혼합물 내의 산소 농도를 결정하는데 산소 센서를 사용하는 것을 포함한다. 가스 이온 센서의 다른 예는 가스상 질소 산화물을 감지하는 질소 센서를 포함한다. 종래의 많은 내연 기관은 그 내연 기관의 배기 가스의 공기-연료 혼합물을 결정하는 산소 센서를 이용한다. 통상적으로, 종래의 내연 기관은 엔진 흡기 기류에 따라서 엔진 흡기구 내로 들어가는 연료를 계량하는 전자 제어 유닛(Electronic Control Unit; ECU)과 같은 컴퓨팅 장치를 사용하는 전자식 연료 공급 제어 장치를 합체한다. 통상적으로, 연료량은 배출물을 최소화하고 모든 연료를 완전 연소시키도록 조절된다. 완전 연소를 위한 이론적인 공기-연료 비율은 가솔린의 중량이 14.7이며, 화학양론 비(stoichiometric ratio)로 불린다. 이론적으로, 이용 가능한 모든 연료는 화학양론 비로 모든 흡입 공기와 결합한다. 단위 람다(λ)는 실제의 공기-연료 비율 나누기 화학양론 비에 가까운 영역의 몫(quotient)을 나타내는데 종종 이용된다. 통상적으로, 종래의 전자식 연료 공급 시스템은 배기 가스의 산소 농도를 측정하는 산소 센서를 배기관에 포함한다. 이들 산소 센서는 배기 가스 내의 비연소된 탄화수소를 대기중 산소와 결합하여 출력 전압을 생성하는 연료 전지로서 작용한다. 이것은 1.0의 λ가 0.45v의 출력 전압에 해당하는 람다/출력 전달 곡선의 결과를 가져온다. 산소 센서를 이용하여, 연료 공급 제어 시스템은 결과적인 람다가 피드백 루프를 이용한 중간 부하 상태에서 1.0이도록 연료 공급을 조절한다. 전형적인 산소 센서의 전달 곡선은 매우 가파르며, 여기서 λ는 1.0이지만, 약간의 λ의 변화로 인해 출력 전압의 상당한 변화가 발생한다. 따라서, 측정된 전압은 다른 λ 값을 측정하는데 이용될 수 없다. 고 부하 상태에서, 전형적인 내연 기관은 람다 값 < 1(0.75 내지 0.85)에서 최대 출력을 발생시킨다. 종래의 ECU 시스템은 이들 상태 하에서 '개방 루프' 모드로 동작하며, 여기서 주입된 연료량은 피드백 없이 흡입 공기 질량을 연료 질량과 연관시키는 미리 저장된 맵(map)으로부터 단독으로 유도된다. 엔진 노화 및 제품 변형이 엔진의 실제의 공기 연료 비율을 변경시키기 때문에, 이들 미리 저장된 상태는 특정 엔진에 대하여 항상 정확한 것은 아니다. 결과적으로, 종래의 시스템은 고 부하 상태에서 심각한 비효율성이 발생할 수 있다는 점에서 제한적이다. 다른 많은 광대역 이온 센서는 유사한 결점들을 경험한다.
일부 최근의 엔진 기술의 개발은 특정한 촉매식 컨버터를 이용하여 연료 소비를 최소화하고 배출물을 더욱 최소화하도록 1 이상(1.1까지)의 람다에서 작동하는 '린-번(lean-burn)' 시스템의 결과를 가져왔다. 일반적인 람다 센서가 이들 람다 방식으로 이용될 수 없기 때문에, '광대역' 또는 UEGO(Universal Exhaust Gas Oxygen) 센서가 개발되어 왔다. UEGO 센서는 배기 가스 스트림에 개방된 오리피스(orifice)를 갖는 소형 측정 챔버, 표준 산소 센서(Nernst 전지), 및 펌프 셀(pump cell)을 결합하고 있다. 펌프 셀은 대기와 측정 챔버 사이에서 산소가 이동하는 것을 허용하는 다공성 세라믹의 고체 장치이다. 펌프 셀을 통하는 전류(종 종 펌프 전류로 칭함)의 방향과 크기는 산소 이온의 방향과 유량을 결정한다. 종래의 시스템에서, 장치의 산소 센서 부분에서의 전압이 화학양론적 전압에서 유지되도록 능동 피드백 루프가 합체된다. 그러면 펌프 전류는 자유 공기에 대한 비율까지의 광범위 비율 분의 λ 값을 결정하는데 이용될 수 있다.
도 1A는 펌프 전류와 람다(λ) 간의 전형적인 관계의 그래프이다. 도 1A에서 도시된 바와 같이, 펌프 전류 대 람다 값(λ)의 결과적인 곡선은 비선형적이다. 곡선 모양이 변화되지 않지만, 센서의 제조 허용 오차는 펌프 전류 대 람다(λ)의 상이한 크기(즉, 곡선 전이)를 초래한다. 변화량을 보상하기 위한 시도는 커낵터 내의 보정 저항기를 측정 셀 센서에 합체하는 것을 포함한다. 불운하게도, 이와 같이 시도된 해결책은 모든 변화를 해결하지 못한다. 대기압 및 배기압은 또한 람다/펌프 전류 관계에 영향을 준다. 따라서, 이들 센서의 출력은 정확하지 않다. 따라서, 상기한 모든 변화를 자기 보정 및 자기 보상하는 산소 센서용 측정 방법을 갖는 것이 바람직하다.
펌프 전류 대 람다 곡선은 또한 상당히 온도 의존성이 있다. 전형적인 UEGO는 소기의 작동 온도에서 센서를 유지하는 히터 소자를 포함한다. 히터 소자의 온도 계수는 온도 변화(ΔT)에 대한 저항 변화(ΔR)의 지수이다. 종래의 기술은 히터 소자의 정 온도 계수를 이용하여 정전압에서 소자를 작동시켜 입력을 조절한다. 온도 계수 ΔR/ΔT가 작동 온도에서 매우 작기 때문에, 결과적인 온도 조절은 그다지 정밀하지 않다. 센서에 따라서, 펌프 셀 임피던스, Nernst 셀 임피던스, 또는 양쪽 모두는 훨씬 더 큰 온도 계수 ΔR/ΔT를 가지며, 따라서, 보다 더 정밀한 온 도 제어를 허용한다. 펌프 셀의 온도를 제어하는 것이 보다 더 유리하다. 불운하게도, 1에 가까운 람다 값에서, 펌프 전류는 매우 작거나 0이며 펌프 셀 임피던스는 저 전류에 대하여 정확하게 측정될 수 없다. 통상적으로, Nernst 셀은 펌프 셀에 물리적으로 결합되고, 따라서 Nernst 셀과 펌프 셀의 온도는 소량만큼 차이가 있다. Nernst 셀 임피던스를 측정하기 위해서, 알려진 고정 전류 또는 알려진 고정 전압이 Nernst 셀에 가해져야만 하고 그 결과적인 전압 또는 전류가 측정되었다. 변형적으로, 소량의 교류(AC) 전압 또는 전류가 Nernst 셀에 가해질 수 있으며 그 결과적인 AC 임피던스가 측정되었다. 첫 번째 방법은 일정한 시간 기간 동안 람다 측정을 중단시킬 필요가 있으며 또한 Nernst 셀에 역 전하를 가하여 회복을 가속시킬 필요가 있다. 두 번째 방법은 측정을 방해하지 않으며 측정된 신호로부터 AC 전압 또는 전류를 제거하는데 저역 통과 필터를 필요로 한다. 이 필터는 또한 보다 높은 신호 주파수를 제거하는데 이는 단기 과도 응답을 검출할 수 없는 불능을 초래한다. 양 방법은 펌프 셀이 아닌 Nernst 셀의 온도를 측정한다. 작동 중에, 펌프 셀과 Nernst 셀 간의 온도 구배가 발생할 수 있으며 일부 온도 제어 에러가 초래할 수 있다. 따라서, 측정 아티팩트(measurement artifact)를 제거하는데 복잡한 회로에 의존하지 않고서 람다를 측정하는 동안 정밀하게 펌프 셀 온도를 제어할 필요성이 있다.
또한, 종래의 연료 계량 기술은 산소 센서의 웜업(warm up) 기간 동안 상당한 오염을 초래한다. UEGO 센서가 사용되는 종래의 시스템에서, 정밀한 작동 온도는 UEGO 출력 값을 신뢰할 수 있기 전에 얻어져야 한다. 이것은 연료 분사 시스템 이 실제의 공기-연료 비율을 인지하지 않고서 '개방 루프'에서 실행되는 시간을 증가시킨다. 결과적으로, 엔진이 제어되지 않는 웜업 오염을 생성하는 시간은 센서 웜업 시간에 좌우된다. 따라서, 센서에 의해 신뢰할 수 있는 값이 생성되기 전의 시간을 최소화하는 산소 농도를 측정하는 장치, 시스템 및 방법에 대한 필요성이 또한 존재한다.
광대역 산소 센서(WBO2 센서)와 같은 전류 광대역 이온 센서는 단일 패키지 내에 Nernst 셀 기준 센서 및 펌프 셀을 결합시킨다. Nernst 셀은 셀의 전극 간의 측정된 가스의 부분압의 차에 비선형적으로 비례하는 전압을 발생시키는 전기화학 전지이다. 전형적인 산소 센서 용도에서, 전극들은 측정 챔버 일면의 전극 상의 대기에 그리고 다른 전극 상의 내연 기관의 배기 가스에 노출된다. 전압은 셀의 고체 전해 물질을 통하여 이동하는 산소 이온에 의해 발생된다. 펌프 셀은 셀을 통하는 산소 이온 흐름이 전류에 의해 강제되는 Nernst 셀이다. 전류가 한 방향으로 흐르면, 산소 이온은 외부 공기로부터 센서 내로 이송된다. 전류가 다른 방향으로 반전되면, 산소 이온은 센서로부터 외부 공기로 이송된다. 전류의 크기는 초당 이송되는 산소 이온의 수를 결정한다.
Nernst 전압은 셀 내의 전기화학 반응의 결과로서 발생되는 전압이다. 셀은 기본적으로 연료 전지로 작용한다. Nernst 전압은 셀의 2개의 전극 간의 산소 부분압의 차에 의해 발생된다. Nernst 식은 이를 다음과 같이 나타낸다:
Voutput = (R*)(T)/(n)(F)*In[(Po, air)/(Po, exh)]
식 중,
Voutput = O2 센서의 출력 전압(0 내지 1.0 볼트가 전형적인 범위임)
R* = 일반 기체 상수(Universal Gas Constant) = 8.3143[주울/그램-몰*K]
T = 배기 가스의 온도[Deg K]
n = 반응에 수반되는 전자의 수 = NBO2 경우에서의 4
F = 패러데이 상수 = 96,480[쿨롬/그램-몰]
Po, air = 대기 중의 O2의 부분압[파스칼]
Po, exh = 일정 온도에서의 배기 가스 중의 O2의 부분압[파스칼]
종래의 시스템에서, Nernst 셀과 펌프 셀 모두는 배기 가스에 오리피스(확산 갭)가 개방된 매우 작은 측정 챔버에 장착된다. 리치 조건(rich condition) 동안, 측정 챔버 내에는 산소 및 비교적 높은 레벨의 산화 가능한 연소물이 거의 또는 전혀 존재하지 않는다. 리치 조건에서, WBO2 컨트롤러는 펌프 셀 전류를 조절함으로써 충분할 만큼의 산소 이온이 챔버 내로 모든 산화 가능한 연소 생성물을 소비하도록 주입된다. 이 작용은 기본적으로 측정 챔버 내에 화학양론적 조건을 발생시킨다. 화학양론적 조건에서, Nernst 기준 셀은 0.45V를 발생시킨다. 과잉 산소가 존재하는 린 조건(lean condition)에서, 컨트롤러는 모든 이온이 측정 챔버로부터 배출되어 화학양론적 조건이 환원되도록 펌프 전류를 반전시킨다. 펌프 셀은 챔버가 자유 공기로 채워지는 경우에도 모든 산소를 측정 챔버로부터 배출할 만큼 충분 히 강하다.
따라서, 종래의 시스템에서의 WB 컨트롤러의 태스크는 측정 챔버 내에 어떠한 산소나 산화 가능한 연소 생성물도 결코 존재하지 않도록 펌프 전류를 조절하는 것이다. 요구되는 펌프 전류는 어느 정도의 공기/연료 비(Air/Fuel ratio)이다. 그렇지만, 종래의 광대역 센서는 복수의 셀이 소형 패키지 내에 결합되어 있기 때문에 생성하기가 어렵다. 또한, 가스를 배출하는 작은 오리피스는 센서의 성능을 제한하는 배출 입자에 의해 오염이나 막힘의 영향을 받기 쉽다. 또한, 종래의 광대역 센서는 이 2개의 장치 사이의 물리적인 분리로 인해 Nernst 기준 셀 출력과 변동 펌프 셀 전류 사이에 지연을 나타낸다. 따라서, 향상된 이온 센서가 요구된다.
또한, 종래의 질소 산화물(NOx) 센서는 지르코늄 산화물(ZrO2) 센서를 사용하여 구현된다. 종래의 ZrO2 센서는 백금(Pt) 전극을 사용하여 특정되는 가스의 O2 함유량을 검출한다. Pt 전극은 NOx를 측정할 수 있는 능력을 갖지 않는데, 아산화 질소 화합물이 백금(Pt)에 의해서만 분리되지 않기 때문이다. 그렇지만, 로듐과 백금의 합금이 아산화 질소 화합물을 분리하는데 이용될 수 있다. 이트륨 안정화(Yttrium stabilized) 지르코늄 산화물 전해질을 갖는 센서는 이 센서가 적절한 온도에서 동작하는 경우 전극 간의 산소(O2) 부분압의 차에 비례하는 출력 전압을 생성한다. 하나의 전극이 공기에 노출되고 다른 한 전극이 배기 가스에 노출되는 경우, 출력 전압은 Nernst 관계에 따른다. 전류가 이와 같이 형성된 셀을 통하여 통과되는 경우, 셀은 산소 펌프로서 작용하며, 여기서 산소 전류(몰/초)는 전류에 비례한다. 배기측 전극이 Pt-Rh 합금으로 구성되는 센서는 아산화 질소 화합물을 또한 분리할 수 있다. 따라서, Nernst 전압은 다음과 같이 표현될 수 있다:
Voutput = (R*)(T)/(n)(F)*In[(Po, air)/(Po, exh) + (Pn, exh)]
식 중,
Voutput = O2 센서의 출력 전압(0 내지 1.0 볼트가 일반적인 범위임)
R* = 일반 기체 상수 = 8.3143 [주울/그램-몰 * K]
T = 배기 가스의 온도 [Deg K]
n = 반응에 수반된 전자의 개수 = NBO2 경우에서의 4
F = 패러데이 상수 = 96,480 [쿨롬/그램-몰]
Po, air = 대기 중의 O2의 부분압 [파스칼]
Po, exh = 배기 가스 중의 O2의 부분압 [파스칼]
Pn, exh = 배기 가스 중의 NOx 화합물의 부분압 [파스칼]
NOx는 Pt-Rh 합금 전극에서 N2와 O2로 분해하며, 이는 Pt-Rh 전극에서 O2 농도의 국부적 증가를 초래한다. 국부적 증가는 Pn에 의해 표현된다. 따라서, NOx로부터의 부분압은 이 관계에 기여한다. 그렇지만, 종래의 NOx 센서는 디젤 기관과 같은 린번(lean burn) 엔진에서 사용되는 경우, 배기 가스 중의 O2의 나머지 부 분압이 NOx 화합물의 부분압에 비해서 매우 높다는 점에서 제한적이다. 예를 들면, 배기 가스 중의 O2의 나머지 부분압은 통상적으로 단일 숫자 내지 다중 숫자의 백분율 범위에 있는 반면 NOx 화합물의 부분압은 백만(ppm) 범위당 일부에 해당한다. 따라서, O2 함유량에 관계없이 배기 가스의 NOx 함유량을 추출하는 이온 센서에 대한 필요성이 또한 존재한다.
도 1B는 종래의 NOx 센서의 블록도이다. 측정되는 가스(측정 가스)(102)는 1차 확산 갭(104)을 통하여 제 1 측정 챔버(106) 내로 수용된다. 제 1 펌프 셀(108)은 제 1 측정 챔버(106) 내의 나머지 가스가 비교적 낮은 산소 농도를 가질 때까지 제 1 측정 챔버(106)로부터 대기 또는 주위 배기 가스 중 어느 하나로 산소 이온을 배출한다. 이 산소 감소 가스의 일부는 2차 확산 갭(110)을 통하여 제 2 측정 챔버(112) 내로 확산한다. 제 2 측정 챔버(112) 내의 제 2 펌프 셀(114)은 제 2 측정 챔버(112) 내의 가스에 노출되는 백금(Pt)과 로듐(Rh) 합금으로 이루어진 전극(116)을 포함한다. 이 합금 내의 로듐은 제 2 측정 챔버(112) 내의 측정 가스 중의 아산화 질소(NOx)를 질소(N2)와 산소(O2)로 분리하는 촉매적인 특성을 갖는다. 결과적으로, 제 2 측정 챔버(112) 내의 산소(O2) 농도는 약간 증가한다. 정전압이 제 2 펌프 셀(114)에 인가되어 펌프 셀(114)을 통한 전류가 측정된다. NO2 함유량 측정은 제 2 펌프 셀(114)을 통한 전류에 기초한다. 산소 측정 셀(120)은 매우 낮은 O2 농도를 유지하기 위해서 펌프 전류를 조절하도록 펌프 셀에 피드백을 제공하며, ZrO2 고체 전해질의 전기 분해를 초래하는 펌프 셀 양단의 전압이 펌프 셀을 파괴하는 지점으로 이 농도가 감소하지 않도록 한다. 그렇지만, 이 종래의 방법은 몇 가지 방법으로 제한된다. 측정된 전류는 (나노-암페어 범위 내에서) 비교적 적고, 결과적으로, 전자기 노이즈 오염에 매우 영향받기 쉽다. 더욱이, 이와 같은 종래의 센서는 적어도 부분적으로는 복수의 확산 갭으로 인해서 제조하기 어렵다. 또한, 제 1 측정 챔버(106)와 제 2 측정 챔버(112) 간의 가스 농도 차는 매우 작다. 따라서, 2차 확산 갭(110)을 통한 확산 흐름은 상당히 지연되어 센서의 매우 느린 응답 시간을 초래한다.
따라서, 광대역 및 NOx 센서에 대한 상술한 필요성에 부가하여, 성능 증가와 함께 제조하기에 더 용이한 NOx 센서에 대한 필요성이 존재한다.
도 1A는 전형적인 일반 배기 가스 산소(Universal Exhaust Gas Oxygen; UEGO) 센서에 대한 펌프 전류와 공기-연료 비 람다(λ) 간의 관계의 그래프 표현도.
도 1B는 종래의 NOx 센서의 블록도.
도 2A는 산소 모니터링 장치의 블록도.
도 2B는 이온 측정 장치가 측정된 가스 내의 산소 이온 농도를 측정하도록 구성된 가스 이온 측정 장치인 이온 모니터링 장치의 블록도.
도 3은 전류 관리 유닛이 아날로그 비교 회로 및 반전 증폭 회로를 사용하여 구현되는 산소 모니터링 장치의 개략도.
도 4는 가스의 산소 농도를 측정하는 방법의 플로차트.
도 5는 측정 셀 내의 산소 이온 흐름을 변화시키는 방법의 플로차트.
도 6은 산소 측정 장치를 보정하는 방법의 플로차트.
도 7은 측정된 펄스 폭 비(PWMRATIO)를 펄스 폭 비 함수와 비교하여 가스의 산소 농도를 결정하는 방법의 플로차트.
도 8은 히터 제어 유닛을 보정하는 방법의 플로차트.
도 9는 산소 측정 장치를 구현하는데 적합한 휴대용 진단 장치의 블록도.
도 10은 단일의 전기화학 셀이 센서 셀과 측정 셀의 기능을 행하는 광대역 센서에 접속된 센서 관리 장치를 포함하는 센서 시스템의 블록도.
도 11은 예시적인 펌프 전류 및 해당하는 셀 전압(VCELL)의 그래프 표현도.
도 12는 측정 개구부로서 이용되는 확산 갭과 단일의 전기화학 셀을 포함하는 센서의 단면의 블록도.
도 13은 측정 개구부용 다공질 막 및 단일의 전기화학 셀을 포함하는 센서의 단면의 블록도.
도 14는 측정 챔버, 1차 전기화학 셀 시스템 및 2차 전기화학 셀 시스템을 포함하는 이온 농도 센서의 블록도.
도 15는 펌프 셀, 산소 측정 셀, 및 질소 감지 전기화학 셀을 갖는 NOx 센서를 포함하는 질소 산화물(NOx) 센서 시스템의 블록도.
도 16은 도 15의 NOx 센서의 구현예인 가스 내의 이온 농도를 측정하는 NOx 센서의 단면의 블록도.
도 17은 도 16의 NOx 센서에 접속된 센서 관리 장치를 포함하는 NOx 측정 시스템의 개략적인 기능도.
도 18은 측정 챔버 내의 산소 농도의 그래프 표현도.
도 19는 NOx 펄스 출력 장치의 그래프 표현도.
도 20은 센서 관리 장치에 접속된 NOx 센서 - NOx 센서는 산소 센서 셀 및 산소 측정 셀의 기능을 행하는 단일의 산소 전기화학 셀을 포함함 - 를 포함하는 센서 시스템의 블록도.
도 21은 도 20의 NOx 센서의 구현예인 가스 내의 이온 농도를 측정하는 NOx 센서의 단면의 블록도.
도 22는 도 21의 NOx 센서에 접속된 센서 관리 장치(2004)를 포함하는 NOx 측정 시스템의 개략적인 기능도.
도 23은 1차 전기화학 셀 시스템 및 2차 전기화학 셀 시스템을 갖는 센서를 관리하는 방법의 플로차트.
도 24는 1차 전기화학 셀 시스템 및 2차 전기화학 셀 시스템을 포함하는 센서 내의 전류를 관리하는 방법의 플로차트.
도 25는 밀봉된 챔버 센서를 포함하는 센서 시스템의 블록도.
도 26은 배기 가스를 측정하기 위한 밀봉된 공기 챔버를 포함하는 전기화학 센서의 단면의 블록도.
위에서 설명한 바와 같이, 종래의 센서 시스템은 몇 가지 방법으로 제한된다. 이들 제한은 유체의 이온 농도를 측정하는 효율적, 저 비용, 및 정확한 방법을 제공하는 예시적인 실시예에서 극복된다. 유체의 이온 농도는 측정 셀의 출력에 기초하여 특정 셀을 통한 펌프 전류를 변화시킴으로써 그리고 펌프 전류를 나타내는 결과적인 구형파(square wave)의 펄스 폭 비를 관찰함으로써 측정된다. 또한, 일부 환경에서, 본원에서 설명하는 방법은 센서가 웜업 기간 중에 초기에 사용되는 것을 허용하는데, 측정 방법이 센서가 바람직한 동작 온도를 아직 달성하지 못한 사실을 보상하는 보정률의 적용을 허용하기 때문이다. 또한, 본 실시예는 측정물을 제거하는데 복잡한 회로에 의존하지 않고서 람다를 측정하는 동안 정확한 펌프 셀 온도 제어를 허용한다. 산소 이온 농도의 결정 이외에, 본 실시예는 다른 가스 이온 농도를 결정하는데 이용될 수 있다. 예를 들면, 기체의 질소 산화물(NOx)을 감지하는 센서와 같은 질소 센서는 전류 관리 장치 및 컴퓨터 장치에 접속되어 NO 및 NO2 이온 레벨과 같은 가스의 질소 산화물의 이온 농도를 측정할 수 있다.
일부 구현예에 있어서, 펌프 셀 및 센서 셀의 기능은 단일의 전기화학 셀을 포함하는 측정 셀에 의해 행해진다. 펌프 전류 및 셀의 내부 저항으로 인한 저항 전압(VR)은 셀 양단의 전체 전압에서 차감되어 셀의 Nernst 전압을 결정한다. Nernst 전압은 측정된 유체의 이온 농도를 나타낸다. 측정 셀이 산소 농도를 결정 하는데 이용되는 경우, 측정 셀을 통한 펌프 전류를 스위칭하는 임계값은 Nernst 전압으로부터 유도된다. 측정 셀이 NOx 측정 시스템의 주 전기화학 시스템의 일부로서 이용되는 경우, 측정 셀의 Nernst 전압은 질소 감지 셀로부터의 출력을 평가하여 NOx를 결정하는 기준으로서 이용된다.
또 다른 NOx 시스템의 실시예에서, 펌프 셀 및 산소 측정 셀은, 산소를 측정 챔버에서 주입 및 배출하고 질소 감지 전기화학 셀의 출력 신호와 비교되는 기준 전압을 제공하는 주 전기화학 시스템을 형성한다. 센서 관리 장치는 제 1의 일정한 1차 펌프 전류 및 제 2의 일정한 1차 펌프 전류에서 펌프 셀을 통하여 1차 펌프 전류를 안내한다. 센서 관리 장치는 측정 셀로부터의 제 1 출력 신호와 질소 감지 셀의 제 2 출력 신호 간의 차를 이용하여 제 1의 일정한 2차 펌프 전류 및 제 2의 일정한 2차 펌프 전류에서 질소 감지 전기화학 셀을 통하여 2차 펌프 전류를 안내한다. 아래에서 설명하는 바와 같이, 질소 감지 전기화학 셀은 NOx를 질소와 산소로 환원시켜 질소 감지 전기화학 셀의 근처에 산소의 국부적인 농도를 생성한다. 2차 펌프 전류의 방향 또는 관련된 다른 신호의 듀티 사이클은 산소의 국부적인 농도, 결과적으로 NOx의 농도를 나타낸다.
밀봉된 센서의 실시예에서, 측정 셀 및 보상 셀은 밀봉된 챔버의 근처에 배치된다. 이 측정 셀 및 보상 셀은 반대 극성으로 직렬로 전기 접속됨으로써 측정 셀에 의해 밀봉된 챔버 내로 주입되는 이온은 동일한 속도로 또는 거의 동일한 속도로 밀봉된 챔버에서 배출된다.
본원에서 설명하는 바와 같이, 질소 산화물(NOx)은 질소와 산소로 형성된 화 합물을 포함한다. 이 화합물은 산소 이온과 질소 이온으로 환원될 수 있다. 따라서, NOx는 원소들로부터 형성된 화합물의 예이며 이는 원소의 이온으로 환원될 수 있다. 내연 기관에 있어서, 다른 화합물이 일부 상태에서 존재할 수 있지만 NOx는 주로 NO와 NO2를 포함한다.
도 2A는 이온 모니터링 장치(200)의 블록도이다. 이온 모니터링 장치(200)는 하드웨어, 소프트웨어 및 펌웨어의 임의의 조합을 이용하여 구현될 수 있다. 본원에서 설명하는 기능 블록의 다양한 기능 및 동작은 임의 개수의 장치, 회로 또는 요소로 구현될 수 있다. 임의의 기능 블록은 단일 장치에 합체될 수 있으며 블록의 기능은 몇 개의 장치, 회로 및 요소 상에 분배될 수 있다.
측정 셀(202)은 적어도 펌프 셀(204) 및 이온 센서 셀(206)을 포함하며, 여기서 펌프 셀(204)을 통한 펌프 전류(208)의 크기 및 방향은 측정 셀(202) 내의 이온(210)의 흐름과 연관된다. 측정 셀(202)의 측정 개구부(212)는 유체 개구부(214)가 주변 유체를 향하는 동안 측정된 유체를 수용하도록 배치된다. 측정된 유체 및 주변 유체는 가스 또는 액체일 수 있다. 아래에서 설명하는 바와 같이, 예를 들면, 측정된 유체는 측정된 가스이며 주변 유체는 주변 공기이다. 이온 센서 셀(206)은 측정 셀(202) 내의 이온의 개수에 기초하여 출력 신호를 제공한다. 이 출력 신호에 응답하여, 전류 관리 유닛(216)은 2개의 정전류 레벨 간의 펌프 전류를 변화시킨다. 제 1 펌프 전류는 출력 신호가 제 1 임계값에 도달할 때까지 전류 관리 유닛(216)에 의해 유지된다. 제 1 임계값에 도달하는 경우, 전류 관리 유 닛(216)은 출력 신호가 제 2 임계값 레벨에 도달할 때까지 반대 방향으로 펌프 전류(208)를 안내한다. 컴퓨팅 장치(218)는 전류 변동을 모니터링하여 측정된 유체의 이온 농도를 결정한다. 아래에서 설명하는 바와 같이, 이온 모니터링 장치(200)의 적절한 애플리케이션은 공기-연료 혼합물을 조절하기 위해 산소 농도를 결정하도록 내연 기관으로부터 배기 가스를 모니터링하는 가스 이온 모니터링 장치를 포함한다. 이온 모니터링 장치, 방법 및 시스템은 임의의 몇 가지 유형의 애플리케이션 및 시스템 중 일부로서 구현될 수 있으며 유체 매체 내의 임의의 수많은 유형의 이온을 측정하는데 이용될 수 있다. 일부 예는 NO 및 NO2 이온 레벨과 같은 가스의 질소 산화물의 이온 농도를 측정하고, 이산화탄소 레벨을 측정하며, 산소와 같은 액체 내의 가스 이온 농도 및 물 내의 이산화탄소 농도를 측정하는 것을 포함한다. 또한, 액체 또는 가스 내의 소금 및 납과 같은 원소의 이온 농도가 일부 상태에서 측정될 수 있다. 따라서, 임의의 수많은 유형의 이온 농도가 측정될 수 있으며, 여기서 이온 센서 및 전류 펌프는 측정되는 특정 이온에 반응한다. 또한, 도 20, 도 21 및 도 22를 참조하여 아래에서 설명하는 바와 같이, 측정 셀은 NOx 측정 시스템의 주 전기화학 시스템으로서 이용될 수 있으며, 여기서 주 전기화학 시스템은 기준치로서 이용되고 질소 감지 전기화학 셀의 제 2 출력 신호와 비교되는 제 1 출력 신호를 제공하여 NOx 농도를 결정한다.
교정 프로시저가 행해진 후, 전류 관리 유닛(216)은 이온 측정 셀(206)의 출력 신호에 기초하여 일정한 플러스 전류(Ip)와 일정한 마이너스 전류(-Ip) 사이에 서 펌프 셀(204)을 통하여 전류(208)를 변화시킨다. 마이너스 전류(-Ip)가 펌프 셀(204)을 통하여 흐르는 경우, 주변 유체는 유체 개구부(214)를 통하여 측정 셀(202) 내로 그리고 펌프 회로를 통하여 수용되는데, 이는 측정 셀(202) 내의 이온 농도의 증가를 초래한다. 측정 셀(202) 내의 산소의 고 이온 농도에서, 이온 측정 셀(206)은 저 전압 신호 출력을 제공한다. 출력 신호의 하한 임계값에 도달하는 경우, 전류 관리 유닛(216)은 펌프 셀(204)을 통하여 플러스 전류(Ip)를 안내한다. 플러스 전류(Ip)가 펌프 셀(204)을 통하여 흐르는 경우, 측정 셀(202) 내의 이온은 주변 유체로 흐른다. 플러스 펌프 전류(208)(Ip)가 계속 흐르는 동안, 이온은 유체 개구부(214)로 계속 흐른다. 결과적으로, 이온 농도는 계속 감소한다. 출력 신호는 상한 임계값에 도달할 때까지 계속 증가한다. 상한 임계값에 도달했음을 검출하는 것에 응답하여, 전류 관리 유닛(216)은 펌프 전류(208)의 방향을 변경시킨다. 임계값에 대한 적절한 값의 예는 선형적인 범위 또는 실질적으로 선형적인 범위 내에서 이온 측정 센서(206)를 유지하는 값을 포함한다. 또한, 임계값은 히스테리가 없는 농도를 샘플링하도록 일부 환경에서 동일한 값일 수 있다.
플러스와 마이너스 전류 레벨 사이에 구형파가 형성된다. 플러스 흐름(Ip)과 마이너스 흐름(-Ip)에서의 펌프 전류(208)의 지속 기간은 측정된 유체의 조성에 좌우된다. 따라서, 컴퓨팅 장치(218)는 결과적인 구형파의 펄스 폭 비(PWMRATIO)를 알려진 펄스 폭 비 함수와 비교하여 측정된 유체의 이온 농도를 결정한다.
도 2B는 이온 측정 장치가 측정된 가스 내의 산소 이온 농도를 측정하도록 구성된 가스 이온 측정 장치인 이온 모니터링 장치(200)의 블록도이다. 산소 모니터링 장치(222)는 하드웨어, 소프트웨어 및 펌웨어의 임의의 조합을 사용하여 구현될 수 있다. 본원에서 설명하는 기능 블록의 다양한 기능 및 동작은 임의 개수의 장치, 회로 또는 요소로 구현될 수 있다. 임의의 기능 블록은 단일 장치에 합체될 수 있으며 블록의 기능은 몇 개의 장치, 회로 및 요소 상에 분배될 수 있다.
산소 모니터링 장치(222)에서, 펌프 셀(204) 및 이온 측정 센서(206)는 산소 이온에 반응한다. 이온 측정 센서(206)는 산소 측정 셀(224)이다. 따라서, 산소 모니터링 장치(222) 내의 측정 셀(202)은 적어도 펌프 셀(204) 및 산소 센서 셀(224)을 포함하고, 여기서 펌프 셀(204)을 통한 펌프 전류(208)의 크기 및 방향은 측정 셀(202) 내의 산소 이온(210)의 흐름과 연관된다. 측정 셀(202)의 측정 개구부(212)는 유체 개구부(214)가 주변 공기를 향하는 공기 개구부(226)인 동안 측정된 가스를 수용하도록 배치된다. 산소 센서 셀(224)은 측정 셀(202) 내의 산소 이온의 개수에 기초하여 출력 신호를 제공한다. 이 출력 신호에 응답하여, 전류 관리 유닛(216)은 2개의 정전류 레벨 간의 펌프 전류를 변화시킨다. 제 1 펌프 전류는 출력 신호가 제 1 임계값에 도달할 때까지 전류 관리 유닛(216)에 의해 유지된다. 제 1 임계값에 도달하는 경우, 전류 관리 유닛(216)은 출력 신호가 제 2 임계값 레벨에 도달할 때까지 반대 방향으로 펌프 전류(208)를 안내한다. 컴퓨팅 장치(218)는 전류 변동을 모니터링하여 측정된 가스의 산소 농도를 결정한다. 산소 모니터링 장치(222)의 적절한 애플리케이션은 공기-연료 혼합물을 조절하기 위해 산소 농도를 결정하도록 내연 기관으로부터 배기 가스를 모니터링하는 것을 포 함한다. 산소 모니터링 장치, 방법, 및 시스템은 몇 가지 유형의 애플리케이션 및 시스템의 일부로서 구현될 수 있다. 아래에서 설명하는 바와 같이, 예를 들면, 산소 모니터링 장치(222)는 휴대용 진단 장치로서, 차량 내의 주문자 상표 부착 생산(original equipment manufacturer; OEM) 장치로서, 또는 차량 내의 영구 설치용 애프터마켓(aftermarket) 장치로서 구현될 수 있다. 산소의 측정 이외에, 산소 측정 장치 및 방법은 생물로부터 내뿜어지는 가스의 산소 농도를 측정하여 소모되는 칼로리 수를 결정하는데 이용될 수 있다. 따라서, 도 2B를 참조하여 설명되는 장치 및 방법은 측정 시스템의 수많은 애플리케이션의 일례에 지나지 않는다.
도 2B를 참조하여 설명되는 실시예에 있어서, 산소 센서 셀(224)은 알려진 기술에 따라 펌프 셀(204)에 인접 배치되는 Nernst 셀(224)이다. 다음의 설명이 Nernst 셀(224)에 관한 것이지만, 본 발명은 측정된 가스 내의 산소 레벨에 기초하여 출력 신호를 제공할 수 있는 다른 유형의 산소 센서 셀(224)로 구현될 수 있다는 것을 당업자는 이해할 것이다. 교정 프로시저가 아래에서 설명하는 프로시저에 따라 행해진 후, 전류 관리 유닛(216)은 Nernst 셀(224)의 출력 신호에 기초하여 일정한 플러스 전류(Ip)와 일정한 마이너스 전류(-Ip) 사이에서 펌프 셀(204)을 통하여 전류(208)를 변화시킨다. 마이너스 전류(-Ip)가 펌프 셀(204)을 통하여 흐르는 경우, 주변 공기는 공기 개구부(226)를 통하여 측정 셀(202) 내로 그리고 펌프 회로를 통하여 수용되는데, 이는 측정 셀(202) 내의 산소 농도의 증가를 초래한다. 측정 셀(202) 내의 산소의 고 농도에서, Nernst 셀(224)은 저 전압 신호 출력을 제공한다. 출력 신호의 하한 임계값에 도달하는 경우, 전류 관리 유닛(216)은 펌프 셀(204)을 통하여 플러스 전류(Ip)를 안내한다. 플러스 전류(Ip)가 펌프 셀(204)을 통하여 흐르는 경우, 측정 셀(202) 내의 산소 이온은 주변 공기로 흐른다. 측정 셀(202) 내의 임의의 불연소 탄소 또는 연료는 임의의 나머지 산소와 결합한다. 결과적으로, 측정 셀(202) 내의 공기와 불연소 탄소의 혼합물은 산소 농도가 감소하고 연료 농도가 증가한다. 출력 신호는 측정 셀(202) 내에 불연소 연료 및 과잉 산소가 존재하지 않는 전이점을 통하여 증가한다. 이 전이점에서, 람다는 1.0과 같고, Nernst 셀(224)은 대략 450 mV의 출력 신호를 제공한다. 플러스 펌프 전류(208)(Ip)가 계속 흐르는 동안, 산소 이온은 공기 개구부(214)로 계속 흐른다. 결과적으로, 산소의 농도는 계속 감소하고 연료의 농도는 측정 셀(202)에서 증가한다. 출력 신호는 상한 임계값에 도달할 때까지 계속 증가한다. 상한 임계값에 도달했음을 검출하는 것에 응답하여, 전류 관리 유닛(216)은 펌프 전류(208)의 방향을 변경시킨다. 도 2B의 실시예에 있어서, 상한 임계값은 455 mV이며 하한 임계값은 445 mV이다. 그렇지만, 다른 임계값이 이용될 수 있으며, 여기서 일부 적절한 값은 주의 공기의 가스용 출력 신호를 포함하고 비교적 선형적인 부분의 람다-전압 관계 내에서 Nernst 셀(224)을 유지하는 범위를 제공하는 값을 포함한다. 예를 들면, 또 다른 적절한 쌍의 값은 440 mV 및 460 mV를 포함한다. 일부 경우에, 하한 및 상한 임계값은 동일한 값일 수 있다.
위에서 설명한 바와 같이, 플러스와 마이너스 전류 레벨 사이에 구형파가 형성된다. 플러스 흐름(Ip)과 마이너스 흐름(-Ip)에서의 펌프 전류(208)의 지속 기간은 측정된 가스의 조성에 좌우된다. 따라서, 컴퓨팅 장치(218)는 결과적인 구형 파의 펄스 폭 비(PWMRATIO)를 알려진 펄스 폭 비 함수와 비교하여 측정된 가스의 산소 농도를 결정한다.
도 3은 전류 관리 유닛(216)이 아날로그 비교 회로(304) 및 반전 증폭 회로(306)를 사용하여 구현되는 산소 모니터링 장치(222)의 개략도이다. 전류 관리 유닛(216)은 하드웨어, 소프트웨어 및 펌웨어의 임의의 조합 및 배열을 사용하여 구현될 수 있다. 도 3의 예에 있어서, 전류 관리 유닛(216)은 저항기, 연산 증폭기, 아날로그 스위치, 제너(Zener) 다이오드, 논리 게이트 및 기타 다른 회로를 포함하는 몇 가지 하드웨어 구성요소를 포함한다. 당업자는 알려진 기술에 따라 본원에서의 교시를 적용함으로써 하나 이상의 회로에 대신하여 다양한 대체가 가능하다는 것을 인지할 것이다. 또한, 동작 값은 전류 관리 유닛(216)의 특정 구현에 따라 달라질 수 있다. 도 3을 참조하여 이루어지는 설명이 산소 센서에 관한 것이지만, 이 교시는 다른 유형의 광대역 센서에 적용될 수 있다.
반전 증폭 회로(306)는 적어도 연산 증폭기(U2)(308), 반전 입력 저항기(R4)(310), 및 비반전 입력 저항기(R5)(312)를 포함한다. 연산 증폭기(U2)(308)의 비반전 입력에서의 전압은 제너 다이오드(314)에 의해 UREF의 전압으로 유지된다. UREF는 본 예에서 대략 2.5 볼트인 Vcc/2와 같다. 측정 셀(202) 내의 펌프 셀(204)은 연산 증폭기(U2)(308)의 출력과 연산 증폭기(U2)의 반전 입력 사이의 아날로그 스위치(316)를 통하여 접속된다. 연산 증폭기(U2)(308), 반전 입력 저항 기(R4)(310) 및 펌프 셀(204) 임피던스(Rpump)는 -Rpump/R4의 이득을 갖는 반전 증폭 회로(306)를 형성한다. 연산 증폭기(U2)(308)의 출력은 AND 게이트(U3)(318)의 출력 레벨에 응답하여 연산 증폭기(308)의 출력을 펌프 셀(204)에 접속하는 아날로그 스위치(316)에 접속된다. 히터 제어 유닛(302)이 "하이" 이네이블 신호를 제공하는 경우에 AND 게이트(318)가 활성 "하이" 출력을 제공하기 때문에, 아날로그 스위치(316)는 웜업 중에 전류가 측정 셀(202)을 통하여 흐르는 것을 방지한다. 또한, 아래에서 설명하는 바와 같이, 교정 프로시저 중에, 아날로그 스위치(316)는 마이너스 펌프 전류(208) 사이클 동안 개방되어 플러스 펌프 전류(IP)와 0 사이에서 교호하는 펌프 전류(208)를 초래한다.
연산 증폭기(U2)(308)의 반전 입력은 반전 입력 저항기(R4)(310)를 통하여 아날로그 비교 회로(304)의 출력에 접속된다. 비반전 입력 저항기(R5)(312), 공급 저항기(R3)(320) 및 제너 다이오드(314)는 전압 분배기를 형성하며 아날로그 비교 회로(304)의 연산 증폭기(U1)(322)의 반전 입력에 (Vcc/2 + 0.45 V)의 기준 전압을 제공한다. 도 3을 참조하여 설명되는 예에서 있어서, 기준 전압은 Vcc가 5 볼트이므로 2.95 볼트이다. 연산 증폭기(322)의 플러스 입력은 감지 저항기(R1)(324)를 통하여 Nernst 셀(224)의 출력에 접속된다. 피드백 저항기(R2)(326)는 연산 증폭기(322)의 플러스 입력에 UREF + 0.45 V와 같은 전압을 제공한다. 따라서, 연산 증폭기(U1)(322), 저항기(R1)(324), 및 피드백 저항기(R2)(326)는 대략 10 mV의 히스테리시스 전압으로 동작하는 아날로그 비교 회로(304)를 형성한다.
아날로그 비교 회로(304), 반전 증폭 회로(306) 및 측정 셀(202)은 측정 셀(202)의 응답 시간에 종속하는 주파수 및 가변 펄스 폭 변조(PWM) 비를 갖는 오실레이터를 형성한다. 펌프 전류(208)는 +Vcc/(2*R4)와 -Vcc((2*R4) 사이에서 교호한다. 컴퓨팅 장치(218)는 U2의 출력이 (t1) 이상과 Vcc/2 (t2) 미만에서 소비하는 시간을 측정하고 이로부터 아래에서 설명하는 함수에 따라 PWMRATIO 및 λ를 계산한다. 람다(λ)는 본원에서의 예에 대한 비교기의 출력의 매 전이마다 계산된다. Nernst 셀(224)은 대략 0.1 V와 0.7 V 사이의 출력 신호를 제공하며 결과적인 (λ) 측정 주파수는 산소 센서 셀(206)의 응답 주파수의 3 dB 포인트보다 높은 약 7 옥타브이다. 따라서, 산소 센서 셀(224)의 응답 주파수는 본원에서 설명하는 예에서 나이키스트(Nyquist) 주파수 이상이다.
도 3의 예에서, 히터 제어 유닛(302)은 센서 특정 방법 및 램프-업 스케줄(ramp-up schedule)을 이용하여 측정 셀(202)의 온도를 증가시킨다. 측정 셀(202)이 그 동작 온도를 달성한 후, 히터 제어 유닛(302)의 "준비(Ready)" 출력은 활성 상태로 되어 아날로그 스위치(304)를 폐쇄하는 AND 게이트(U3)에 하이 ENABLE 신호를 제공한다. 이네이블 신호는 또한 컴퓨팅 장치(218)의 입력에 접속되며 측정 셀(202)이 동작할 준비가 되어있음을 컴퓨팅 장치(218)에 표시한다. 히터 제어 유닛(302)은 히터 요소 상에서 일정한 소정의 전압을 유지하거나 또는 온 도 조절을 위한 다른 (센서 특정) 방법을 이용한다. 도 3을 참조하여 설명되는 예에서, 펌프 셀 임피던스는 히터 요소(330)의 임피던스가 최소 값 상태인 경우에 측정된다. 펌프 셀 임피던스는 이 펌프 셀 임피던스를 연속적으로 모니터링하여 히터 요소(330)로 온도를 조정함으로써 측정된 값으로 유지된다.
도 6을 참조하여 아래에서 설명하는 바와 같이, 컴퓨팅 장치(218)는 화학양론 비(PWMST) 및 공기에 대한 펄스 폭 비(PWMAIR)에서 PWM 비에 대응하는 불휘발성 메모리에 값을 저장한다. 도 4 내지 8을 참조하여 아래에서 설명하는 예에서, +/-5%의 차수의 에러를 갖는 공칭 람다 값이 교정 값 및 측정된 PWMRATIO에 기초하여 계산된다. PWMST가 환경적 조건보다도 센서의 특성 및 연령에 더 종속하기 때문에, 교정 프로세스는 대부분의 경우에서 자주 행해질 필요가 없다.
이들 교시에 기초하여, 당업자는 측정 장치에 이용될 수 있는 다양한 구성요소, 장치, 및 회로 소자를 인지할 것이다. 연산 증폭기(308, 322)에 사용될 수 있는 적절한 장치의 일례는 Texas Instruments사로부터 입수 가능한 TLV2463 연산 증폭기를 포함한다. 반전 입력 저항기(R4)(310) 및 비반전 입력 저항기(R5)(312)에 대한 값은 대략 수백 오옴이다. 적절한 컴퓨팅 장치(218)의 일례는 850 Family RISC 8-Bit Microcontroller를 포함한다. 몇몇 경우에, 위에서 설명한 일부 또는 모든 기능 블록은 주문형 반도체(application specific integrated circuit; ASIC)로서 구현될 수 있다. 예를 들면, 히터 제어 및 전류 관리 유닛(216)과 컴퓨팅 장치(218)는 매우 적은 외부 부품을 갖는 혼합형 신호 ASIC에 용이하게 합체될 수 있 다.
도 4는 가스의 산소 농도를 측정하는 방법의 플로차트이다. 본 방법은 하드웨어, 소프트웨어 또는 펌웨어의 임의의 조합으로 행해질 수 있다. 예를 들면, 본 방법은 산소 모니터링 장치(222)에서 행해진다. 도 4를 참조하여 이루어지는 설명이 산소 센서에 관한 것이지만, 그 교시는 다른 유형의 광대역 센서에 적용될 수 있다.
단계 402에서, 교정 프로시저가 행해진다. 교정 프로시저는 산소 측정 장치를 초기화하기 위한 교정 값을 얻으며 특정한 측정 셀(202)의 특성에 관련된 값 또는 환경 조건에 관련된 값을 포함할 수 있다. 도 6의 예를 참조하여 아래에서 설명하는 바와 같이, 펌프 셀(204)의 임피던스를 유지하고, 람다를 계산용 펄스 폭 비 함수를 설정하며, 화학양론 비(PWMST)에 대한 PWM 비가 0이 아닌 경우에 람다 값을 조정하기 위한 값이 얻어진다. 다른 교정 값은 산소 센서 특성을 반영하는 펌프 전류(208)의 구형파의 주파수에 관련된 파라미터를 포함할 수 있다.
단계 404에서, 산소 이온 흐름은 산소 센서 셀(224)의 출력 신호에 기초하여 제 1 펌프 전류 및 제 2 펌프 전류 사이에 변화된다. 본 예에서, 이온 흐름은 플러스 정전류(IP+ 및 마이너스 정전류(IP-) 사이의 펌프 전류(208)를 교호시킴으로써 변화된다. 아날로그 스위치(316)는 측정 프로시저 중에 폐쇄 상태가 된다.
단계 406에서, 펌프 전류(208)에 의해 형성되는 구형파의 펄스 폭 비(PWMRATIO)는 컴퓨팅 장치(218)에 의해 결정된다. 본 예에서, 변화하는 펌프 전 류(208)에 의해 형성된 구형파의 펄스 폭(t1 및 t2)은 컴퓨팅 장치(218) 내의 수정 시계를 사용하여 측정된다. 단일 펄스의 개별 값이 측정 및 저장될 수 있지만, 가변 전류로 인한 펄스의 지속 기간은 시간 주기에 대하여 평균화된다.
단계 408에서, 펄스 폭 비(PWMRATIO)는 펄스 폭 비 함수와 비교하여 측정된 가스의 산소 농도를 결정한다. 본 예에서, 컴퓨팅 장치(218)는 교정된 값을 이용하는 방정식에 측정된 값을 적용시킨다.
도 5는 측정 셀(202) 내의 산소 이온 흐름을 변화시키는 방법의 플로차트이다. 따라서, 도 5의 플로차트는 도 4의 단계 404를 행하는 예시적인 방법을 나타낸다. 도 5를 참조하여 이루어지는 설명이 산소 센서에 관한 것이지만, 본 교시는 다른 유형의 광대역 센서에 적용될 수 있다.
단계 502에서, 펌프 전류(208)는 일정한 크기로 펌프 셀(204)을 통하여 플러스 방향으로 안내된다. 도 3을 참조하여 설명되는 이온 모니터링 장치(200)에서, 아날로그 스위치(316)는 플러스 전압이 펌프 셀(204) 양단에 인가되는 동안 폐쇄 상태가 된다. 플러스 전압은 아날로그 비교 회로(304)가 반전 증폭기(308)를 트리거링하여 펌프 셀(204) 양단에 마이너스 전압을 인가할 때까지 유지된다.
단계 504에서, 산소 센서 셀(224)로부터의 출력 신호가 수신된다. 예시적인 이온 모니터링 장치(200)에서, 산소 센서 셀(224)의 출력은 아날로그 비교 회로(304)의 연산 증폭기(322)의 플러스 입력에서 저항기(R1)(324)를 통하여 수신된다.
단계 506에서, 출력 신호가 상한 임계값보다 크거나 또는 이와 같은지의 여부가 결정된다. 상한 임계값에 도달되지 않았으면, 본 방법은 일정한 플러스 펌프 전류가 펌프 셀(204)을 통하여 안내되는 단계 502로 복귀한다. 상한 임계값에 도달했으면, 본 방법은 전류가 반전되고 일정한 펌프 전류(208)가 마이너스 방향으로 안내되는 단계 508에서 계속된다. 도 3의 예를 참조하여 위에서 설명한 바와 같이, 전류 관리 유닛(216)은 임계값에 도달할 때까지 정전류를 제공하도록 아날로그 비교 회로(304) 및 반전 증폭 회로(306)를 포함한다. 아날로그 비교 회로(304)는 임계값에 도달했음을 검출한 것에 응답하여 펌프 전류(208)의 반전을 트리거링한다. 따라서, 플러스 펌프 전류(IP+)는 산소 센서 셀(224)의 출력이 상한 임계값에 도달할 때까지 유지되는데, 이 상한 임계값은 아날로그 비교 회로(304)의 출력이 반전 증폭 회로(306)의 출력을 변경시키는 고 출력으로 스위칭하도록 한다.
단계 508에서, 펌프 전류(208)는 마이너스 방향으로 안내된다. 반전 증폭 회로(306)의 역 전압 출력에 응답하여 펌프 전류(208)는 방향을 반전시켜 마이너스(-Ip)가 된다.
단계 510에서, 전류 관리 유닛(216)은 산소 센서 셀(224)로부터 출력 신호를 수신한다. 예시적인 산소 모니터링 장치(222)에서, 산소 센서 셀(224)의 출력은 아날로그 비교 회로(304)의 연산 증폭기(322)의 플러스 입력에서 저항기(R1)(324)를 통하여 수신된다.
단계 512에서, 출력 신호가 하한 임계값 미만이거나 이와 동일한지의 여부가 결정된다. 하한 임계값에 아직 도달하지 않았으면, 본 방법은 전류 관리 유닛(218)이 펌프 셀(204)을 통하여 마이너스 방향으로 펌프 전류(208)를 계속 안내하는 단계 508로 복귀한다. 그렇지 않으면, 프로시저는 전류가 플러스 방향으로 반전되는 단계 502로 복귀한다. 따라서, 본 예에서, 전류 관리 유닛(216)은 산소 센서 셀(224)의 출력에 기초하여 445 볼트와 455 볼트 사이에서 전류를 변화시킨다. 펌프 전류(208)가 변화되는 동안, 결과적인 구형파의 특성이 측정 및 저장된다.
본원에서 설명하는 예에서, 컴퓨팅 장치(218)는 시간 주기(t1 및 t2)를 모니터링하고, 시간 주기 중 어느 하나가 동작 임계값을 초과하면, 컴퓨팅 장치(218)는 ENABLE 신호를 오버라이트하고 센서에 손상을 방지하도록 펌프 셀(204)을 접속 차단한다. 고장 상태를 결정하도록 진단 프로시저가 행해진다.
도 6은 산소 모니터링 장치(222)를 교정하는 방법의 플로차트이다. 도 6을 참조하여 설명되는 방법은 도 4의 교정 단계 402를 행하는 방법의 예를 제공한다. 산소 모니터링 장치(222)는 임의 수의 방법으로 교정될 수 있으며 이용되는 특정한 교정 방법은 특정 센서(202)의 특성 및 산소 모니터링 장치(222)를 이용하여 수집되는 데이터와 같은 다양한 요소에 좌우될 수 있다. 본 예에서, 교정 프로시저는 히터 제어 유닛(302)을 교정하는 것과 산소 센서 셀(224)이 자유 공기에 노출되는 경우에 가변 펌프 전류(208)의 펄스 폭을 결정하는 것을 포함한다. 도 6을 참조하여 이루어지는 설명이 산소 센서에 관한 것이지만, 본 교시는 다른 유형의 광대역 센서에 적용될 수 있다.
단계 602에서, 산소 센서 셀(224)은 자유 공기에 노출된다. 본 예에서, 측정 셀(202)은 배기 가스 또는 다른 공중의 불순물에의 노출이 최소화되는 영역에 배치된다. 산소 모니터링 장치(222)가 기능성 차량에서 동작하는 일부의 경우에, 컴퓨팅 유닛은 결과적인 람다 값이 가솔린에 대한 린번 한계 이상이고 어느 시간 주기 동안 변경되지 않는 경우에 엔진이 코스트 다운(coast down) 모드에 있음을 결정한다. 차량이 코스트 다운 모드에 있다고 결정되는 경우, 컴퓨팅 장치(218)는 교정 프로시저를 행한다. 컴퓨팅 장치(218)가 ECU 그 자체이면, 코스트 다운 상태는 이미 알려져 있으며, 배기 가스의 소정의 퍼지 시간(purge time) 이후, ECU는 자유 공기에 대한 교정 프로시저를 행한다.
단계 604에서, 히터 제어 유닛(302)이 교정되어야 하는지가 결정된다. 본 예에서, 히터 제어 유닛(302)은 전력 공급(powering up) 시퀀스 중에 교정된다. 히터 교정 프로시저가 행해지는데 필요로 하는 다른 적절한 상태의 예는 측정 셀(202)의 교체 또는 재접속 및 어느 측정 에러의 검출을 포함한다. 히터 교정이 요구되면, 프로시저는 단계 606에서 계속된다. 그렇지 않으면, 프로시저는 단계 608로 직접 진행한다.
단계 606에서, 히터 제어 유닛(302)이 교정된다. 본 예에서, Nernst 셀(224)의 바람직한 동작 온도에 대응하는 바람직한 히터 임피던스 및 바람직한 펌프 셀 임피던스가 메모리에 저장된다. 도 8을 참조하여 설명하는 바와 같이, Nernst 셀 임피던스는 바람직한 히터 임피던스 및 바람직한 펌프 셀 임피던스가 측 정 및 기록되기 전에 적당한 시간 주기 동안 타깃 Nernst 셀 임피던스로 유지된다.
단계 608에서, 센서 웜업 프로시저가 행해진다. 도 3을 참조하여 설명되는 모니터링 장치에서, 아날로그 스위치(316)는 센서 웜업 프로시저 중에 처음으로 개방된다. 적절한 가열 시간표에 따라, 히터 요소(330)에 전력이 인가되어 온도를 증가시킨다. 히터 제어 유닛(302)은 전류 및 히터 요소(330) 양단의 전압을 모니터링하여 히터 요소(330)의 임피던스를 결정한다. 히터 임피던스는 히터 교정 프로서저 중에 측정 및 저장된 바람직한 히터 임피던스에 비교된다. 히터 제어 유닛이 히터 임피던스가 바람직한 히터 임피던스와 동일하다는 것을 검출하는 경우, 히터 제어 유닛(302)은 산소 센서 셀(206)의 최소 동작 온도에 도달했다는 것을 결정한다. 소기의 동작 온도 도달의 결정에 응답하여, 히터 제어 유닛(302)은 "준비" 출력에서 "하이" 이네이블 신호를 제공한다. AND 게이트(U3)(318)는 ENABLE 신호가 하이 상태인 경우 아날로그 스위치(316)를 폐쇄한다.
단계 610에서, Nernst 셀의 바람직한 동작 온도가 유지된다. 바람직한 동작 온도는 산소 모니터링 장치(222)의 동작 중뿐만 아니라 나머지의 산소 센서 교정 프로시저 중에 유지된다. 본원에서 설명되는 예에서, 펌프 셀(204)의 임피던스(RPUMP)는 동작 중에 계속 모니터링되고 히터 제어 유닛(302)은 일정한 또는 거의 일정한 바람직한 펌프 셀 임피던스를 유지하도록 제어된다. 바람직한 펌프 셀 임피던스는 히터 교정 프로시저 중에 저장된 메모리로부터 검색된다. 히터 제어 유닛(302)을 제어하는 적당한 방법의 일례는 펄스 폭 변조를 이용하여 히터 요 소(330)에 의해 소비되는 전력량을 증가 또는 감소시키는 것을 포함한다.
산소 측정 장치(222)가 발진 모드에 있고 전류가 변화하는 경우, 펌프 셀(204)(U2의 출력)에서의 전압은 Vcc, RPUMP, 저항기 R4(310), 및 펌프 셀(204)의 back-EMF에 의해 결정된다. 아날로그 비교 회로(304)의 연산 증폭기(U1)(322)의 출력은 0 V와 Vcc 사이에서 스위칭한다. 히터 제어 유닛(302)은 연산 증폭기(U1)(322)의 출력의 각 전이의 전후에 연산 증폭기(U2)(308)의 출력을 샘플링한다. 각 전이의 전후에 측정되는 전압 간의 차의 절대값은 UDIFF이다. 일부 경우에, 연산 증폭기(U2)(308)의 출력은 충분히 높은 차단(cut-off) 주파수의 고역 통과 필터(도시되지 않음)를 통하여 통과된다. 필터 출력은 전이점 직후에 샘플링되고 결과적인 출력 전압의 절대값은 UDIFF와 같다.
히터 제어 유닛(302)은 다음의 관계에 따라 펌프 셀(204)의 임피던스(RPUMP)를 계산한다:
RPUMP = R4(UDIFF/Vcc) (1)
일부 경우에, Nernst 셀(224)의 임피던스(RN)는 대안으로서 또는 펌프 셀(204)의 임피던스의 모니터링에 부가하여 모니터링된다. Nernst 셀(224)의 임피던스를 모니터링하기 위해서, Nernst 셀(224)의 출력 전압 신호는 고역 통과 필터 및 증폭기(도시되지 않음)를 통하여 통과된다. 그리고 나서 결과적인 필터링 및 증폭된 신호는 비교기 전이점에서 샘플링된다. 다음으로 피크-피크 전압(UNPP)은 로-하이 및 하이-로 전이에서 샘플 전압 간의 차로서 계산된다.
전압(UNPP)은 다음의 식과 같다:
UNPP = Vcc(R1 + 2RN)/R2 (2)
따라서, UNPP는 Nernst 셀(224)의 임피던스(RN)를 선형적으로 뒤따르며, 측정된 람다 신호에 영향을 주는 신호 경로에서의 임의 필터링을 사용하지 않고서 Nernst 셀(224)의 임피던스에 대한 편리한 측정이다. 저항기(R1, R2)는 RN을 통한 전류가 Nernst 셀(224)의 기능에 영향을 주지 않을 만큼 충분히 작도록 그리고 Nernst 동작 온도 및 임피던스에서의 UNPP가 대략 10 mV이도록 선택된다.
단계 612에서, 산소 이온 흐름(210)은 산소 센서 셀(224)의 출력 신호에 기초하여 플러스 전류(Ip)와 마이너스 전류(-Ip) 사이에서 변화된다. 전류(208)를 변화시키는 적당한 방법의 일례는 도 5를 참조하여 설명한다.
단계 614에서, 공기에 대한 펄스 폭 비(PWMAIR)가 결정된다. 이들 예에서, 펄스 폭(t1AIR, t2AIR)은 플러스 전류 사이클 및 마이너스 전류 사이클에 대하여 결정된다. 구형파의 전이 시간은 펄스 폭을 측정하도록 컴퓨팅 장치(218) 내의 수정 시계에 의해 기록된다. 펄스 폭에 대한 값은 예를 들면 평균 PWMAIR을 계산하기 위해 1초와 같은 충분한 시간 주기 동안 측정 및 평균화된다.
공기에 대한 펄스 폭 비가 코스트 다운 상태 동안에 계산되면, 컴퓨팅 장치(218)는 펌프 전류(208)의 펄스 폭을 측정하기 전에 이 상태에 도달하는 시기를 결정한다. 컴퓨팅 장치(218)가 시스템 내의 ECU이면, ECU는 스로틀 위치 및 엔진 속도와 같은 ECU에 직접 이용 가능한 파라미터에 기초하여 이 상태를 검출한다.
단계 616에서, PWMAIR는 메모리에 저장된다. 교정 정보를 저장 및 검색하는데 다양한 기술이 이용될 수 있다. 예를 들면, 펄스 폭(t1AIR, t2AIR)은 메모리에 직접 저장되어 나중에 PWMAIR를 계산하는데 이용될 수 있다. 이와 같은 프로시저는 구형파의 주파수가 압력 및 온도 변화를 더욱 보상하는데 이용되는 경우에 바람직할 수 있다. 펄스 폭 타이밍을 저장함으로써, 공기에 대한 평균 펄스 폭 비(PWMAIR) 이외에 주파수 정보가 저장된다.
단계 618에서, 산소 이온 흐름(210)은 산소 센서 셀(206)의 출력 신호에 기초하여 제 1 전류와 제 2 전류 사이에서 변화된다. 본원에서 설명되는 예에서, 전류(208)는 (IP)와 0 사이에서 변화된다. 상술한 방법과 유사한 방식으로, 전류(208)는 마이너스 전류(IP-) 대신에 0 전류가 이용되는 것을 제외하고 제 1 전류로부터 제 2 전류로 변화된다.
단계 620에서, 제 2 전류가 0인 경우의 공기에 대한 펄스 폭 비(PWM'AIR)가 결정된다. 본원에서 설명되는 예에서, 펄스 폭(t'1AIR, t'2AIR)은 플러스 전류 사이클 및 0 전류 사이클에 대하여 결정된다. 구형파의 전이 시간은 펄스 폭을 측정하 도록 컴퓨팅 장치(218) 내의 수정 시계에 의해 기록된다. 펄스 폭에 대한 값은 예를 들면 평균 PWM'AIR을 계산하기 위해 1초와 같은 충분한 시간 주기 동안 측정 및 평균화된다. PWM'AIR를 측정하기 위해서, 컴퓨팅 장치(218)는 신호 CALIBRATE를 하이로 설정한다. 따라서, AND-Gate(U3)(318)와 함께 NAND-Gate(U4)(328)는 아날로그 스위치(316)가 펌프 전류(208)의 고 위상 동안에만 스위치 온이 되도록 한다. 저 위상 동안, 아날로그 스위치(316)는 오프되어 어떠한 펌프 전류도 흐를 수 없다.
단계 622에서, PWM'AIR는 메모리에 저장된다. 교정 정보를 저장 및 검색하는데 다양한 기술이 이용될 수 있다. 예를 들면, 펄스 폭(t'1AIR, t'2AIR)은 메모리에 직접 저장되어 나중에 PWM'AIR를 계산하는데 이용될 수 있다.
다른 교정 프로시저가 일부 상태에서 행해질 수 있다. 예를 들면, 압력 및 온도 보상에 대한 교정 프로시저는 어느 교정 조건에서 펌프 전류(208)에 대응하는 주파수 정보를 측정 및 저장함으로써 행해질 수 있다.
도 7은 측정된 펄스 폭 비(PWMRATIO)를 펄스 폭 비 함수와 비교함으로써 가스의 산소 농도를 결정하는 방법의 플로 차트이다. 도 7을 참조하여 설명되는 방법은 도 4의 단계 408을 행하는 방법의 일례이다. 도 7을 참조하여 이루어지는 설명이 산소 센서에 관한 것이지만, 본 교시는 다른 유형의 광대역 센서에 적용될 수 있다.
단계 702에서, 예비 산소 농도(λPRE)가 계산된다. 본원에서 설명되는 예에 서, 예비 산소 농도(λPRE)는 다음의 식에 의해 결정된다:
λPRE = P/(PWMAIR - PWMRATIO) (3)
식 중, P = (1 + PWM'AIR)(1 - PWMAIR)/(1 - PWM'AIR) (4)
컴퓨팅 장치(218)는 PWMAIR, PWMRATIO, 및 PWM'AIR에 대한 값을 메모리로부터 검색하고 위의 식을 적용하여 예비 산소 농도(λPRE)를 계산한다. 아래에서 설명하는 바와 같이, P는 PWMAIR와 같고, 여기서 화화양론 비(PWMST)에서의 펄스 폭 비는 0이다. 따라서, λPRE는 PWMAIR/(PWMAIR - PWMRATIO)와 같고, 여기서 특정 센서에 대한 PWMST는 0이다.
단계 704에서, λPRE가 1 미만인지의 여부가 결정된다. λPRE가 1 미만이면, 프로시저는 단계 706에서 계속된다. 그렇지 않으면, 프로시저는 단계 708에서 계속되며, 여기서 가스의 산소 농도(λ)는 예비 산소 농도(λPRE)와 같은 것으로 결정된다.
단계 706에서, 가스의 산소 농도(λ)는 교정율(M) 곱하기 예비 산소 농도(λPRE)와 1 마이너스 교정율의 합과 같은 것으로 결정된다(λ = (λPRE)*M + (1-M)). 본원에서 설명하는 예에서, 특정한 측정 셀(202)의 브랜드 및 모델에 대한 교정율(M)은 알려진 산소 농도를 갖는 가스에의 노출시 측정 셀(202) 성능의 통계적인 분석을 통하여 유도된다. 일부의 경우에, 몇 개의 측정 셀 각각에 대한 교정율은 메모리에 저장되어 산소 모니터링 장치(222) 내에 접속되는 특정한 모델에 적용된다. M의 통상 값의 일례는 .71428이다.
도 8은 히터 제어 유닛(302)을 교정하는 방법의 플로차트이다. 따라서, 도 8을 참조하여 설명되는 방법은 도 6의 단계를 행하는 방법의 일례를 제공한다. 도 8을 참조하여 이루어지는 설명이 산소 센서에 관한 것이지만, 본 교시는 다른 유형의 광대역 센서에 적용될 수 있다.
단계 802에서, 히터 요소(330)의 임피던스는 히터 요소(330)의 온도가 증가하는 동안 모니터링된다. 도 3을 참조하여 설명되는 모니터링 장치에서, 아날로그 스위치(316)는 히터 유닛 교정 프로시저 중에 처음으로 개방된다. 적당한 가열 시간표에 따라, 히터 요소(330)에 전력이 인가되어 온도를 증가시킨다. 히터 제어 유닛(302)은 전류 및 가열 요소 양단의 전압을 모니터링하여 히터 요소의 임피던스를 결정한다. 히터 요소의 임피던스를 히터 요소(330)의 온도와 연관시키는 저장된 정보에 기초하여, 히터 제어 유닛은 산소 센서 셀(224)의 최소 동작 온도에 도달하는 시기를 결정한다. 소기의 최소 동작 온도에 도달하는 것을 결정하는 것에 응답하여, 히터 제어 유닛(302)은 "준비" 출력에서 "하이" 이네이블 신호를 제공한다. AND 게이트(U3)(318)는 ENABLE 신호가 "하이"인 경우에 아날로그 스위치(316)를 폐쇄시킨다.
단계 804에서, 최소 동작 온도에 도달했는지의 여부가 결정된다. 프로시저는 최소 동작 온도에 도달하는 경우 단계 806으로 진행한다. 그렇지 않으면, 히더 온도는 아날로그 스위치(316)가 폐쇄된 상태로 단계 802에서 계속 모니터링된다.
단계 806에서, Nernst 셀의 임피던스는 타깃 Nernst 셀의 임피던스로 유지된다. 히터 제어 유닛(302)은 온도가 변화되어 Nernst 셀의 임피던스를 목표 값으로 유지하도록 제어된다. 타깃 Nernst 셀의 임피던스는 측정 셀(센서)(202)의 종류와 브랜드에 의해 결정되는 소정의 값이며 센서 제조사에 의해 제공된다. Nernst 셀의 임피던스는 최소 시간 동안 일정하게 또는 거의 일정하게 유지되어 온도 및 임피던스의 변동이 결정되도록 한다. 적당한 결정 시간의 일례는 10초이다.
상술한 바와 같이, Nernst 셀(224)의 임피던스는 고대역 통과 필터 및 증폭기(도시되지 않음)를 통하여 Nernst 셀(224)의 출력 전압 신호를 통과함으로써 모니터링된다. 결과적인 필터링 및 증폭된 신호는 비교기의 전이점에서 샘플링된다. 피크-피크 전압(UNPP)은 식 2에 따라 로-하이 및 하이-로 전이에서 샘플 전압 간의 차로서 계산된다.
단계 808에서, 바람직한 히터 임피던스 및 바람직한 펌프 셀 임피던스가 측정 및 저장된다. 본원에서 설명하는 예에서, 펌프 셀 임피던스는 식 1에 기초하여 계산된다. 상술한 바와 같이, 펌프 셀(204)에서의 전압(U2의 출력)은 산소 모니터링 장치(222)가 발진 모드에 있는 경우 Vcc, RPUMP, 저항기 R4, 및 펌프 셀(204)의 back-EMF에 의해 결정된다. 비교기(304)의 연산 증폭기(U1)(322)의 출력은 0 V와 Vcc 사이에서 스위칭한다. 히터 제어 유닛(302)은 연산 증폭기(U1)(322)의 출력의 각 전이 전후에 연산 증폭기(U2)(308)의 출력을 샘플링한다. 각 전이의 전후에 측정된 전압 간의 차의 절대값은 UDIFF이다. 일부의 경우에, 연산 증폭기(U1)(322)의 출력은 충분히 높은 차단 주파수의 고대역 통과 필터(도시되지 않음)를 통하여 통과된다. 필터 출력은 전이점 직후에 샘플링되며 결과적인 출력 전압의 절대값은 UDIFF와 같다.
다양한 교정율 및 식들이 산소 측정 장치의 특정한 구현에 따라서 이용될 수 있지만, 위의 식들은 본원에서 설명하는 예에 대한 다음의 분석 및 가정에 기초하여 유도된다. 당업자는 본원에서의 교시에 기초한 변경을 인지할 것이다.
다양한 파라미터 간의 관계는 다음과 같이 전제되는 식 5 내지 26을 참조하여 아래에서 설명한다:
Qf는 전이점에서 Nernst 셀(206)을 유지하기 위한 측정 셀(202)의 요구되는 산소 흐름의 입출이다;
Q1은 고정된 정전류(Ip)에서의 Nernst 셀(224)로부터의 산소 흐름 값이다;
Q2는 고정된 정전류(-Ip)에서의 Nernst 셀(224) 내로의 산소 흐름 값이다;
t1은 Nernst 셀(224)을 0.445 V에서 0.455 V로 스위칭하는데 요구되는 산소 펌프 시간(Q1 흐름)이다;
t2는 Nernst 셀(224)을 0.455 V에서 0.445 V로 스위칭하는데 요구되는 산소 펌프 시간(Q2 흐름)이다.
따라서, 상술한 전제에서, Nernst 셀(206) 전압은 교류(AC) 성분이 10 mVpp인 상태에서 0.45 V이다. 결과적인 Qf는 다음과 같다.
Qf = (Q1 * t1 - Q2 * t2)/(t1 + t2)
타이밍 관계는 다음과 같이 나타낼 수 있다.
PWMRATIO = (t1 - t2)/(t1 + t2)
1 및 2를 이용하여, 식 1은 다음과 같이 정정될 수 있다.
Qf = [(Q1 + Q2) * PWMRATIO + Q1 - Q2)]/2
펌프 흐름 비(QRAT)는 다음과 같이 나타낼 수 있다.
QRAT = (Q1 - Q2)/(Q1 + Q2)
대기압 변화시, Q1 및 Q2는 대략 비례하여 변화하고, 따라서 QRAT는 거의 일정하게 유지된다. 온도 변화의 경우도 동일하다. 따라서, QRAT는 온도와 무관하다.
일부의 경우에, QRAT는 센서 연령 및 그에 따라 센서가 최적 성능을 유지하도록 주기적으로 교정될 필요가 있는 경우에 변화될 수 있다.
Q1 및 Q2가 알려져 있고 일정하면, 산소 유량 및 람다(λ)는 측정되는 타이밍 관계 PWMRATIO로부터 결정된다. 펌프 전류(208), 온도, 배기압, 대기압 및 공기 중의 산소 농도가 일정하면 Q1 및 Q2는 일정하다. 본원에서 설명하는 예에서, 펌프 전류(208)는 온도이며 신중한 회로 설계를 통하여 일정하게 유지된다. 본원에서 설명하는 분석에서, 대기중의 산소 농도는 20.9%로 일정한 것으로 가정된다. 대기압 작용은 교정을 통하여 보상된다. 배기압의 작용은 동일한 계수에 의해 Q1 및 Q2 모두를 변경시키는 경향이 있으며 또한 산소 센서 셀(206)의 응답 시간을 변경시키는데, 압력에 따라서 산소 센서 셀(206)의 표면에 약간의 산소 이온이 존재하기 때문이다.
상술한 바와 같이, 산소 모니터링 장치(222)는 일정한 플러스와 마이너스 값 사이의 펌프 전류(208)를 스위칭함으로써 산소 흐름을 측정한다. 이 일정한 펌프 전류 값에 대한 절대값은 이것이 자유 공기에 요구되는 펌프 전류(208)의 절대값보다 크도록 선택된다.
위의 식은 선형적이며 2개의 알려진 포인트에 대하여 결정될 수 있다. 시간 값(t1, t2)은 일단 2개의 교정 점이 알려지면 람다(λ)의 정확한 결정을 가능하게 하는 수정 제어 마이크로프로세서 또는 타이머 회로에 의해 측정된다.
화학양론 배기 혼합물은 어떠한 보정적인 산소 흐름도 필요로 하지 않으며, 따라서 안정한 상태의 펌프 전류(208)는 0과 같다. 이 조건은 교정 점 중 하나인 화학양론 펄스 폭 비(PWMST)를 결정하는데 이용된다.
상술한 바와 같이, 제 2 교정 점은 측정된 가스가 공기인 경우에 펄스 폭 비를 측정함으로써 얻어진다. 측정 셀(202)은 자유 공기에 노출된다. 측정 셀(202)이 차량에 설치되지 않으면, 측정 셀은 자유 공기에 노출된 영역에 배치된다. 측 정 셀(202)이 차량에 설치되면, 자유 공기에 대한 교정은 차량이 적절한 시간 동안 동작중인 아니며 모든 배기 가스가 배출된 경우 또는 차량이 코스트 다운 모드에 있는 경우 행해진다. 코스트 다운 모드 동안, 엔진 상의 스로틀은 완전히 폐쇄되고 엔진 속도는 소정의 값 이상이다. 이 경우, 전형적인 ECU는 엔진으로부터 어떠한 출력 전력도 요구되지 않고 부가적인 연료가 절약될 수 있기 때문에 어떠한 연료도 분사하지 않는다. 펌프 셀(204)은 측정 챔버에서 공기로부터 모든 산소를 펌핑하는데 충분히 높은 전체 흐름 값(QF)으로 구동된다.
식 5 내지 8로부터 다음 식이 성립한다:
PWMST = -QRAT (9)
배기 산소 농도로부터 계산되는 람다 값(λ)은 다음과 같이 나타낼 수 있다:
λ = 공기 산소 함유량/(공기 산소 함유량 - 과잉 산소) (10)
모든 산소가 소비되지만 불연소 또는 부분 연소된 연료가 여전히 존재하면 식 6에서의 과잉 산소 값이 마이너스 값을 가질 수 있다는 것이 주목된다.
용량 대신에 산소 유량을 검사하기 위해서, t는 다음의 나눗셈에 의해 제거된다:
λ = Qf ( AIR )/(Qf ( AIR ) - Qf): (11)
식 7, 8, 9 및 11을 적용하면:
λ = (PWMAIR - PWMST)/(PWMAIR - PWMRATIO) (12)
상술한 바와 같이, 제 2 자유 공기 PWM 비(PWM'AIR)는 자유 공기 보정 동안 Q1과 무전류(Q2 = 0) 사이의 펌프 셀(204)을 스위칭함으로써 측정된다.
PWMST는 다음의 공식에 따라 PWMAIR 및PWM'AIR로부터 교정 중에 계산된다:
식 7로부터,
2*Qf = (Q1 + Q2)*PWMAIR + Q1 - Q2 (13)
2*Qf = Q1 *PWM'AIR + Q1 (14)
여기서 PWM'AIR는 Q1 및 Q2 대신에 Q1과 무전류 사이에서 스위칭하는 경우 측정된다.
P = PWMAIR - PWMST. (15)
식 13 및 14로부터:
P = (1 + PWM'AIR)*(1 - PWMAIR)/(1 - PWM'AIR) (16)
PWMST = PWMAIR - P (17)
식 (12)를 적용하면:
λ = P/(PWMAIR - PWMRATIO) (18)
상술한 바와 같이, PWMAIR는 적절한 동작 온도에서 센서를 자유 공기에 노출시킴으로써 측정되고, 일부의 경우에 보상율을 결정하기 위해 주파수 정보가 이용 된다. 다음의 분석은 주파수와 다른 파라미터 간의 관계를 증명한다.
식 8로 되돌아가서, Q1 = Q2이면, QRAT(및 이에 따라 PWMST)는 0이 된다. 실제의 샘플링 주파수는 최고 유량(QF)에 종속한다.
식 8은 다음과 같이 변경된다:
Qf = QF *PWMRATIO. (19)
식 12는 다음과 같이 된다:
λ = PWMAIR/(PWMAIR - PWMRATIO) (20)
QF는 펌프 전류(208)(Ip)의 함수이며, 따라서 QF = f(Ip)이다. 일정한 Ip에 대한 QF가 배기압 변화로 인해 변화되면, 측정된 PWMRATIO는 동일한 보정 흐름(Qf)에 대하여 PWM'RATIO가 된다.
배기 가스 압력 또는 온도가 변화되는 상태에서 Q1 및 Q2는 제 1 근사치에서 계수 K에 의해 변화된다.
식 8은 다음과 같이 된다:
Qf = K*[Q1 + Q2)*PWM'AIR + Q1 - Q2)]/2 (21)
식 중
Q1 *t1 = K*Q1 *t1' (22)
Q2 *t2 = K*Q2 *t2' (23)
측정 주파수(f)는 다음에 의해 결정된다:
f = 1/(t1 + t2) (24)
f' = 1/(t1' + t2') (25)
식 20, 21, 22 및 23으로부터 다음이 성립된다:
K = f'/f (26)
다른 모든 환경적 조건이 일정한 경우 f가 일정하기 때문에, 이 계산은 온도 및/또는 압력 변화를 보정하는데 이용될 수 있다. 식 8은 다음과 같이 된다:
λ = (PWMAIR - PWMST)/(PWMAIR - (1-K)*PWMST - K*PWM'RATIO) (27)
그리고 식 18은 다음과 같이 된다:
λ = PWMAIR/(PWMAIR - K*PWM'RATIO) (28)
따라서, 이들 방정식은 압력 보상율(K)의 적용이 압력 또는 온도 변화를 보상하도록 한다. 극단적인 상황 하에서, Q1 및 Q2는 동일한 계수 K에 의해 동일하게 변화되지 않는다. 따라서, 일부의 상황에서는, 정상 주파수 편차(f'/f)는 정확한 편차 계수 K'를 추출하기 위해서 실험적으로 유도된 룩업 테이블 내의 인덱스로서 이용된다:
K' = func (f'/f). (29)
따라서, 계산된 람다 값은 일단 정상 주파수/람다 테이블이 주어진 센서 종류에 대하여 실험적으로 결정되면 배기압을 측정하기 위해 개별 센서를 사용하지 않고서 배기압 변화에 대하여 보정될 수 있다.
종래의 상업적으로 이용 가능한 패키지형 측정 셀(202)은 종종 펌프 셀(204) 및 Nernst 셀(224)의 가상 접지에 대한 온도 종속 기생 저항을 갖는다. 이 기생 저항은 상업적으로 이용 가능한 많은 측정 셀(202)로 상술한 압력 보상 방법을 적용하기 위해서 소프트웨어 또는 회로를 통하여 어드레싱되어야 한다.
위의 식들과 분석은 상술한 것 이외의 다른 방식으로 본 발명의 다른 구현예에 적용될 수 있으며 본원에서 설명되는 교시는 다양한 형식, 구현예 및 구성에 적용될 수 있다. 상술한 바와 같이, 하드웨어 및 소프트웨어는 다양한 요소에 적합하도록 변경될 수 있다. 예를 들면, 아날로그 스위치(316)는 연산 증폭기(U2)(308)가 3 상태 출력을 제공하는 경우에 제거될 수 있다. 또한, 아날로그 스위치(316)는 연산 증폭기(U2)(308)의 출력에 접속하는 대신에 반전 입력 저항기(R4)(310) 앞의 산소 모니터링 장치(222) 내에 접속될 수 있다. 연산 증폭기(U2)(308)는 또한 3 상태 출력을 제공할 수 있다. 또한, 히터 제어 유닛(302)은 컴퓨팅 장치(218)의 일부로서 통합될 수 있다.
더욱이, 제너 다이오드(314)는 일부의 경우에 디지털-아날로그(A/D) 변환기 또는 전위차계로 교체될 수 있다. 이것에 의해 기준 전압(UREF)은 화학양론 비(PWMST)에서의 펄스 폭 비가 정확히 0이도록 설정될 수 있다. 이와 같은 상황에서, λ를 계산하는데 이용되는 식은 다음과 같다:
λ = PWMAIR/(PWMAIR - K*PWM') (30)
일부의 경우에, 주파수 정보가 분석되어 이 분석에 따라 다른 유용한 정보 또는 데이터를 제공한다. 예를 들면, 측정 셀(202)의 응답 시간이 노화에 따라 변화하기 때문에, 발진 주파수는 교체의 필요를 결정하는 측정치로서 직접 이용된다. 하한 임계값 주파수에 도달하는 경우, 컴퓨팅 장치(218)는 센서가 교체되어야 한다는 경고를 제공할 수 있다. 환경 조건들이 비교될 수 있고(식 27에서의 f' 및 f는 동일함) 주파수 변경이 센서의 노화로 인한 것이기 때문에 자유 공기 값이 재교정되는 경우에 주파수 분석이 행해지는 것이 바람직하다.
도 9는 산소 모니터링 장치(222)를 구체화하는데 적합한 휴대용 진단 장치의 블록도이다. 상술한 바와 같이, 산소 모니터링 장치(222)는 임의의 몇 개의 구성 및 장치로서 구현될 수 있다. 예를 들면, 산소 모니터링 장치(222)는 차량 연료 시스템 내의 OEM 장치로서 통합될 수 있다. 또한, 산소 모니터링 장치(222)는 차량내 애프터마켓 연료 공급 시스템 또는 진단 시스템의 일부일 수 있다. 기타 다른 장치 및 사용법은 본원에서의 교시에 기초하여 당업자에게 자명할 것이다.
휴대용 진단 장치(900)는 하우징(902), 디스플레이(904), 커넥터(906-912), 및 컴퓨팅 장치(218)와 전류 관리 유닛(216)에 인터페이스를 제공하는 버튼(또는 다른 유형의 스위치)(912, 914)을 포함한다. 디스플레이는 사용자가 휴대용 진단 장치(900)의 상태에 관한 정보를 보는 것을 허용한다. 휴대용 진단 장치(900)에서, 커넥터(906-912)는 외부 컴퓨터에 접속하기 위한 직렬 포트(912), 측정된 λ에 대응하는 아날로그 신호를 공급하는 아날로그 출력 커넥터(908), 보조 센서 인터페이스(919), 및 센서 커넥터(906)를 포함한다. 예를 들면, DC 전원을 수신하는 전력 커넥터와 같은 다른 커넥터가 일부의 경우에 또한 포함된다. 컴퓨팅 장치(218)에 접속된 교정 버튼(908)은 교정 프로시저를 초기화하는 사용자 인터페이스를 제공한다. 기록 버튼(914)은 수 초의 데이터가 메모리에 저장되도록 하는 기록 프로시저를 초기화하는 사용자 인터페이스를 제공한다. 사용될 수 있는 또 다른 버튼 또는 스위치의 일례는 온-오프 스위치(도시되지 않음)를 포함한다. 버튼 및 커넥터는 컴퓨팅 장치(218) 및 다른 회로에 접속되고 사용자, 측정 장치(222), 측정 셀(202) 및 기타 다른 외부 장비 사이에 인터페이스를 제공한다.
따라서, 가스의 산소 농도를 측정하는 시스템, 장치 및 방법은 종래의 시스템 보다도 몇 가지 이점이 있는, 가스를 모니터링하는 비용 효율적이고, 효과적이며 정확한 방법을 제공한다. 본원에서 설명하는 기술은 산소 농도(λ) 측정에 어떠한 아날로그-디지털(A/D) 변환도 요구되지 않기 때문에 단순화된 설계를 제공한다. 더욱이, 단순화된 제조 및 보다 낮은 제조 비용을 초래하는 센서 허용오차를 보상하기 위해서 어떠한 교정 저항기도 측정 셀 센서에 필요로 하지 않는다. 측정 셀(202) 자체의 광범위한 허용오차가 만족되어, 보다 높은 가능한 제조 수율을 초래한다. 어떠한 정밀 저항 또는 다른 정밀 부품들이 요구되지 않기 때문에, 회로 비용이 초소화된다. 산소 모니터링 장치(222)는 압력 및 온도 변화를 자기 보상한 다. 측정 프로세스는 아날로그 전류/전압 영역 대신에 시간 영역으로 변환된다. 표준 수정 시간에 기초하여, 디지털 설계에서 전형적인 바와 같이, 온도 및 연령 관련 변화는 수정 시계가 전형적인 저항기에 대하여 < 10-2에 비해서 < 10-6의 허용오차를 갖기 때문에 해소된다. 측정 결과는 /람다에 선형적이며 센서의 Ip/람다 곡선에 무관하다. 교정은 편리하며 기준 가스로서 공기만을 이용한다.
도 9를 참조하여 이루어지는 설명이 산소 모니터링 장치(222)를 구체화하는데 적당한 휴대용 진단 장치에 관한 것이지만, 본 교시는 다른 유형의 광대역 센서와 함께 사용하기 위한 휴대용 장치를 구현하는데 적용될 수 있다. 예를 들면, 장치(900)는 질소 또는 질소의 기체 산화물에 반응하는 측정 셀에 접속하도록 구성될 수 있다.
도 10은 단일 전기화학 셀(1006)이 센서 셀 및 펌프 셀의 기능을 행하는 예에 따라 광대역 센서(1002)에 접속된 센서 관리 장치(1004)를 포함하는 센서 시스템(1000)의 블록도이다. 이온 농도 측정 시스템(1000)은 측정 셀(단일 전기화학 셀에 의해 형성됨)을 갖는 센서, 및 전기화학 셀에서의 셀 전압에 따라 전기화학 셀을 통하여 제 1 정전류와 제 2 정전류 사이에서 펌프 전류를 변화시키는 센서 관리 장치를 포함한다. 측정된 유체는 측정 개구부(1010)를 통하여 센서의 측정 챔버(1008) 내로 수용된다. 전기화학 셀(1006)은 전기화학 셀(1006)을 통하여 흐르는 펌프 전류에 기초하여 공기와 같은 주변 유체에 노출되는 주변 개구부(1012)와 측정 챔버(1008) 사이에서 이온을 이동시킨다. 센서 측정 장치(1004)는 전기화학 셀(1006)에서의 셀 전압(VCELL)(1018)에 기초하여 측정된 유체의 이온 농도를 결정한다. 전기화학 셀(1006)의 내부 저항이 결정되고 셀 전압(1018)으로부터 감산되어 측정된 유체의 이온 농도를 나타내는 전기화학 셀(1006)의 Nernst 전압을 얻는다.
센서 시스템(1000)은 하드웨어, 소프트웨어 및 펌웨어의 임의의 조합을 이용하여 구현될 수 있다. 본원에서 설명하는 기능 블록의 다양한 기능 및 동작은 임의 개수의 장치, 회로 또는 소자로 구현될 수 있다. 임의의 기능 블록은 단일 장치에 통합될 수 있으며 블록의 기능은 몇 개의 장치, 회로 및 소자 상에 분배될 수 있다.
센서(1002)는 측정 개구부(1010) 및 주변 개구부(1012)를 갖는 측정 챔버(1008) 내에 접속된 전기화학 셀(1006)을 포함한다. 전기화학 셀(1006)을 통한 펌프 전류(1014)의 크기 및 방향은 전기화학 셀(1006) 내의 이온(1016)의 흐름을 결정한다. 측정 챔버(1008)의 측정 개구부(1010)는 주변 개구부(1012)가 주변 유체를 향하는 동안 측정된 유체를 수용하도록 위치 결정된다. 측정된 유체 및 주변 유체는 가스 또는 액체일 수 있다. 본원에서 제공되는 예에서, 측정된 유체는 측정된 가스이며 주변 유체는 측정된 가스가 산소인 주변 공기이다. 전기화학 셀(1006)은 임의의 장치, 구성요소, 또는 소자이며, 이는 전기화학 셀(1006)을 통하여 흐르는 펌프 전류(1014)에 기초하여 측정 챔버(1008) 내의 이온 농도를 변경시키고 이온 농도에 연관되는 전압(VCELL)(1018)을 제공한다. 전기화학 셀(1006)은 종래의 센서 내의 펌프 셀과 유사하다. 본 예에서, 전기화학 셀(1006)은 산소 이 온에 반응하는 Nernst 셀이다. 그렇지만, 전기화학 셀(1006)은 일부의 경우에 예를 들면 기체의 질소 산화물(NOx)과 같은 다른 가스에 반응할 수 있다.
정전류가 전기화학 셀(1006)을 통하여 강제되는 경우, Nernst 전압과 전기화학 셀(1006)의 내부 저항에 의해 생성되는 전압 강하(저항 전압)의 합인 전압이 셀에서 생성된다. 내부 저항은 때때로 오옴 임피던스로 불리는 셀의 실제 임피던스이다. 저항 전압(VR)은 내부 저항을 통하여 흐르는 펌프 전류로부터의 결과이다. Nernst 전압은 측정 챔버 내의 산소 농도를 나타내며 총 전기화학 셀 전압(VCELL)과 저항 전압(VR) 간의 차와 같다. 따라서, Nernst 전압은 저항 전압(VR)을 전기화학 전압(VCELL)으로부터 감산함으로써 계산될 수 있다. 본 예에서, 센서 관리 장치(1004)는 플러스와 마이너스 정전류 사이에서 펌프 전류(1014)를 계속 스위칭하고, 셀 전압을 측정하여, 저항 전압(VR)을 감산함으로써 Nernst 전압에 기초하여 산소 농도를 결정한다. 센서 관리 장치(1004)는 전류 관리 유닛(216) 및 컴퓨팅 장치(218)를 포함하며, 여기서 전류 관리 유닛(216)은 전류 흐름을 제어하여 셀 전압을 측정한다. 따라서, 도 10을 참조하여 설명하는 예에서의 동작은 펌프 셀 및 측정 셀이 단일 전기화학 셀과 교체되는 점을 제외하고 도 2A, 도 2B, 및 도 3을 참조하여 설명하는 예의 동작과 유사하다. 따라서, 도 10의 예에서의 펌프 셀은 또한 측정 셀로서 작용한다.
전기화학 셀(1006)은 측정 챔버(1008) 내의 이온 수에 기초하여 출력 신호를 제공한다. 이 출력 신호에 응답하여, 센서 관리 장치(1004)는 2개의 정전류 레벨 사이에서 펌프 전류를 변화시킨다. 제 1 펌프 전류는 출력 신호가 제 1 임계값에 도달할 때까지 전류 관리 유닛에 의해 유지된다. 제 1 임계값에 도달하는 경우, 센서 관리 장치(1004)는 출력 신호가 제 2 임계값 레벨에 도달할 때까지 반대 방향으로 펌프 전류(1014)를 안내한다. 컴퓨팅 장치는 전류 변동을 모니터링하여 측정된 유체(가스)의 이온 농도를 결정한다. 결과적인 발진의 펄스 폭 비(듀티 사이클)는 펌프 전류를 통한 산소 흐름의 표시자로서 이용된다. 전류 신호 및 다른 관련된 파형과 신호의 펄스 폭 비의 평가가 이용되어 산소 농도를 결정할 수 있다. 상술한 바와 같이, 센서 시스템(1000)의 적절한 애플리케이션은 공기-연료 혼합물을 조정하기 위해 산소 농도를 결정하는 내연 기관으로부터 배기 가스를 모니터링하는 가스 이온 모니터링 장치를 포함한다. 이온 모니터링 장치, 방법, 및 시스템은 임의의 몇 가지 유형의 애플리케이션 및 시스템의 일부로서 구현될 수 있으며 유체 매체 내의 임의의 수많은 종류의 이온을 측정하는데 이용될 수 있다. 일부의 예는 NO 및 NO2 이온 레벨과 같은 기체의 질소 산화물의 이온 농도를 측정하고, 이산화탄소 레벨을 측정하며, 물 중의 산소와 이산화탄소 농도와 같은 액체의 가스 이온 농도를 측정하는 것을 포함한다. 또한, 액체 또는 가스 내의 납과 같은 소금 및 원소의 이온 농도가 일부의 상황에서 측정될 수 있다. 따라서, 임의의 수많은 종류의 이온 농도가 측정될 수 있으며, 여기서 이온 센서 및 펌프 전류가 측정되는 특정한 이온에 반응한다. 또한, 도 20, 도 21 및 도 22를 참조하여 아래에서 설명 하는 바와 같이, 측정 셀은 NOx 측정 시스템의 주 전기화학 시스템으로서 이용될 수 있으며, 여기서 주 전기화학 시스템은 기준치로서 이용되고 질소 감지 전기화학 셀의 제 2 출력 신호와 비교되는 제 1 출력 신호를 제공하여 NOx 농도를 결정한다.
적절한 센서 관리 장치(1004)의 일례는 인터페이스(1022)를 통하여 측정 셀(전기화학 셀(1006))에 접속하도록 구성되는 장치를 포함하며 전류 관리 유닛(1018) 및 컴퓨팅 장치(1020)를 형성하는 회로를 포함한다. 인터페이스(1022)는 센서(1002)와 센서 관리 장치(1004) 사이에서 신호를 전달하는 전기적 커넥터, 다이렉트 케이블 접속, 또는 기타 다른 전기 접촉 장치를 포함할 수 있다. 전류 관리 유닛(1018)은 측정 챔버 내의 측정된 유체의 이온 농도에 기초하여 출력 신호(1018)를 수신하도록 구성된다. 또한 전류 관리 유닛(1018)은 출력 신호(1018)에 따라 제 1 정전류와 제 2 정전류 사이에서 전기화학 셀(1006)의 펌프 셀을 통하여 흐르는 펌프 전류(1014)를 변화시킴으로써 전기화학 셀(1006)과 주변 유체 사이의 이온 흐름을 조정하도록 구성된다. 컴퓨팅 장치(1020)는 펌프 전류의 구형파의 펄스 폭 비에 따라 측정된 유체의 이온 농도를 결정하도록 구성된다. 따라서, 특정한 구현예에 의해서, 컴퓨팅 장치(1020)는 펌프 전류(1014)에 관련된 또는 이로부터 유도된 임의의 수많은 신호 또는 파형을 평가할 수 있다.
따라서, 측정된 전압은 펌프 전류의 반전을 트리거링하는데 이용된다. 예를 들면, 플러스 펌프 전류(Ip) 동안 Nernst 전압(｜VCELL｜- ｜R*Ip｜) > = 0.5 볼트이면, 펌프 전류(Ip)는 반전되고, R(내부 저항)은 아래에서 설명하는 바와 같이 계산 되며, 프로세스는 Nernst 전압이 < = 0.4 V일 때까지 마이너스의 일정한 펌프 전류가 계속된다. 그리고 나서 펌프 전류(Ip)는 플러스로 다시 극성화 등이 된다. 본 예에서, 히스테리시스 전압은 0.1 V(0.5 V - 0.4 V)이다. 다른 히스테리시스 전압이 이용될 수 있다. 일부의 경우에, 동일한 값이 양쪽 임계값 모두에 이용될 수 있다.
본 예에서, 전기화학 셀의 내부 저항(R)은 셀을 통한 플러스와 마이너스 전류 사이 및/또는 마이너스와 플러스 전류 사이의 전이점에서의 셀에서 전압 변화를 측정함으로써 결정된다. 펌프 전류가 일정한 플러스와 마이너스 전류 사이에서 스위칭되기 때문에, 저항은 오옴 법칙에 기초하여 계산된다.
내부 저항은 전기화학 셀의 온도에 종속한다. 펌프 전류의 극성 반전에서, 셀은 반응 시간을 갖지 않았고 새로운 방향으로 어떠한 산소도 펌핑하지 않았다. 그러므로 Nernst 전압을 결정하는 산소 농도 차는 아직 상당한 양만큼 변경되지 않았다. 따라서, 셀에서의 전압 변화는 적어도 대부분 전류의 변화에 의해 초래된다. 전류의 차와 전압의 차에 기초하여, 내부 저항은 관계 RCELL = ΔVCELL/ΔIP에 기초하여 결정되며, 여기서 ΔVCELL은 셀에서의 전압 차이며 ΔIP는 전류 펌프의 차이다. 내부 저항(RCELL)은 오옴 법칙 VR = RCELL *IP에 기초한 내부 저항(RCELL)으로 인해 전압 강하(VR)를 결정하는데 이용된다. 저항 전압(VR)은 이어지는 계산에서 사이클의 나머지에 대하여 전기화학 셀에서 실제의 전압(VCELL)으로부터 감산되어 Nernst 전압 및 결과적으로 이온 농도를 결정한다. 대부분의 애플리케이션에서, 전압 변화(ΔVCELL)는 전류 전이 전후에 몇 마이크로초까지 측정될 수 있다. 극성 반전 직전과 직후의 전압 간의 차는 ΔVCELL 전압 변화이다. ΔVCELL 전압을 측정하는 적절한 기술은 샘플 및 유지 회로를 사용하는 것을 포함한다.
위의 설명은 다음과 같은 예에 적용될 수 있다. 펌프 전류의 절대값이 5 mA이고, 측정된 ΔVCELL이 0.8 볼트이면, Ip는 +5 mA에서 -5 mA로 점프한다. 델타 Ip가 10 mA(+5 mA -(-5 MA))이기 때문에, RCELL은 80 오옴이다. 측정 챔버가 화학양론보다도 약간 더 리치(rich)하면(Nernst 전압은 0.5 V임), +5 mV에서 -5 mV로의 점프에서의 실제 측정된 셀 전압은 0.9 V에서 0.1 V로 점프한다. 현재 펌프 전류는 마이너스(-5 mA)이며 펌프 셀은 측정 챔버(들) 내로 산소 이온을 펌핑한다. 이것은 챔버를 점차적으로 린(lean) 상태로 만들고 펌프 셀 전압은 쇠퇴한다. 0 V의 하한 임계값(0.1 V의 히스테리시스를 가짐)에서 전류의 극성은 다시 반전되고 셀 상의 전압은 0.8 V(0.4 V Nernst + 0.4 V의 VR)로 점프한다. 현재 산소 이온은 챔버로부터 다시 펌핑되고 펌프 셀 양단의 전압은 이것이 0.9 V(0.5 V Nernst + 0.4 V의 VR)의 상한 임계값에 도달할 때까지 다시 상승한다.
도 11은 펌프 전류(114) 및 대응하는 셀 전압(VCELL)(1018)의 일례의 그래프 표현도이다. 펌프 전류(1014)가 일정한 플러스 전류(1102)와 일정한 마이너스 전류(1004) 사이에서 스위칭하는 동안, 전기화학 셀(펌프 셀) 양단의 전압(VCELL)은 또 한 마이너스와 플러스 전압 사이에서 발진한다. 상술한 바와 같이, 전체 전압(VCELL)의 일부(VR)(1106)는 내부 저항(R)에 기인하고 저항 전압(VR)(1106)으로 칭한다. 펌프 전류가 반전된 후, 반대 저항 전압이 셀에서 나타나고 전체 셀 전압에서 임계값에 근접하기 시작한다. 저항 전압과 Nernst 전압(1108)의 합은 전체 셀 전압(VCELL)과 같다.
도 12는 센서(1200)의 단면도의 블록도이며, 여기서 센서(1200)는 측정 개구부(1010)로서 이용되는 확산 갭(1202) 및 단일 전기화학 셀을 포함한다. 측정측 전극은 측정 챔버(1008)에 노출되고 대기 전극은 공기와 같은 대기 유체(1210)에 노출된다. 상술한 바와 같이, 종래의 광대역 센서는 2개의 구성요소 사이의 물리적인 분리로 인해 Nernst 기준 셀 출력과 변화하는 전류 셀 전류 간의 지연을 나타낸다. 이 지연은 펌프 셀의 활성 전극면이 또한 측정된 가스에 대한 지연 없이 직접 반응하기 때문에 도 12의 예에서는 적용될 수 없다. 이것은 측정 속도를 더욱 증가시킨다. 따라서, 도 12에 예시된 실시예는 개별 센서 기준 셀 없이 그렇지 않으면 종래의 기술에 따라 구성된 광대역 센서의 일례이다.
도 13은 센서(1300)의 단면도의 블록도이며, 여기서 센서(1300)는 측정 개구부(1010)용 다공질 막(1302) 및 단일 전기화학 셀을 포함한다. 도 13에 나타낸 구현예에서는, 측정 챔버 및 확산 갭이 생략되어 있다. 배기 가스에 노출되는 펌프 셀의 전극은 그 센서 전극에의 배기 가스의 약한 확산을 허용하는 불활성 다공질 재료로 덮인다. 따라서 종래 센서의 단일 확산 갭 및 측정 챔버는 다수의 확산 채 널로 대체된다. 이것은 필수적으로 펌프 셀 표면을 다수의 평행한 동작 펌프 셀로 구분한다. 이것은 확산 갭을 덮는 단일의 소립자가 센서가 동작할 수 없게 하는 기회를 상당히 감소시킨다. 각 펌프 셀 부분이 또한 통상의 광대역 센서에 비해서 훨씬 더 작은 가스 샘플로만 동작해야 하기 때문에, 그 동작 속도는 더욱 감소될 수 있다. 확산 속도와 Nernst 전압에 대한 영향으로 인해 측정하는데 유용할 수 있는 센서의 온도는 이들 센서에 사용되는 재료가 큰 마이너스 온도 계수를 가지므로 셀의 내부 저항(오옴 임피던스)을 통하여 측정될 수 있다. 다공질 층은 큰 단열 특성을 갖는 재료로 구성될 수 있다. 이것은 또한 펌프 셀 자체에 대한 보호로서 작용할 수 있다. 적절한 구성에 의해, 다공질 층 자체는 센서에 대한 보호 실드로서 작용할 수 있으므로, 종래의 광대역 센서 주변 금속 실드의 플로 다이내믹스에 의한 응답 속도의 감소를 해소한다.
따라서, 도 10 내지 도 13을 참조하여 설명하는 장치, 시스템, 및 방법은 종래의 이온 농도 측정 시스템 이상의 몇 가지 이점을 제공한다. 2개의 장치의 제거는 센서의 보다 용이한 제조와 사용 중의 센서 내의 지연 감소를 제공한다. 제어 루프 구현예에 비해서 PWM 스킴으로 인해 보다 정확한 결과가 얻어진다. 셀의 내부 저항이 온도 종속적이기 때문에, 계산된 내부 저항(RCELL) 값은 온도를 측정하는데 그리고 펌프 셀 히터를 제어함으로써 전기화학 셀(펌프 셀)의 온도를 조절하는데 이용될 수 있다.
도 14는 측정 챔버(1402), 제 1 전기화학 셀 시스템(1404) 및 제 2 전기화학 셀 시스템(1406)을 포함하는 이온 농도 센서(1400)의 블록도이다. 이온 농도 센서(1400)는 다양한 시스템 및 실시예 내에서 사용되어 액체 및 가스와 같은 유체의 이온 농도를 측정할 수 있다. 아래에서 설명하는 바와 같이, 이온 농도 센서(1400)는 질소 이온 센서를 구현하도록 펌프 셀, 측정 셀, 및 전기화학 셀을 포함할 수 있다.
제 1 전기화학 시스템(1404) 및 제 2 전기화학 시스템(1406) 각각은 적어도 하나의 전기화학 셀을 포함하며 측정 챔버(1402) 내로 그리고 측정 챔버(1402)로부터 외부로의 이온(1408, 1410)의 흐름을 변화시키도록 그리고 측정 챔버(1402) 내의 이온 농도(1420, 1422)에 기초한 출력 신호(1416, 1418)를 발생시키도록 구성된다. 따라서, 제 1 전기화학 시스템(1404)은 1차 펌프 전류(1412)에 응답하여 측정 챔버(1402) 내로 그리고 측정 챔버(1402)로부터 외부로의 1차 이온 흐름(1408)을 변화시킨다. 제 1 출력 신호(1416)는 측정 챔버(1402) 내에서 제 1 이온 농도(1420)에 따라 발생된다. 제 2 전기화학 시스템(1406)은 2차 펌프 전류(1414)에 응답하여 측정 챔버(1402) 내로 그리고 측정 챔버(1402)로부터 외부로의 제 2 이온 흐름(1410)을 변화시킨다. 제 2 출력 신호(1418)는 측정 챔버 내에서 제 2 이온 농도(1422)에 따라 발생된다. 이온 농도(1420, 1422)가 다른 원소의 이온 농도일 수 있지만, 이온 농도(1420, 1422)는 본원에서 설명하는 예에서는 동일한 원소이다. 출력 신호(1416, 1418)의 예는 전기화학 셀 또는 측정 셀에 의해 발생되는 전기화학 셀 전압을 포함한다. 아래에서 설명하는 예에서, 제 2 이온 농도(1422)는 제 2 전기화학 시스템(1406)의 촉매 전극 부근의 국부적인 산소 이온 농도이며 제 1 이온 농도(1420)는 촉매 전극 부근 이외의 다른 측정 챔버 전체를 통한 실질적으로 균일한 산소 이온 농도(일반적인 산소 이온 농도)이다. 따라서, 본 예에서, 제 1 이온 농도(1420)는 제 1 영역 내에 있고 제 2 이온 농도(1422)는 제 2 영역 내에 있으며, 여기서 제 2 영역은 제 1 전기화학 시스템보다도 제 2 전기화학 시스템에 더 근접하다. 그렇지만, 제 1 및 제 2 이온 농도(1420, 1422)는 다른 원소의 이온 농도일 수 있거나 또는 특정한 구현예에 따라서 측정 챔버(1402) 내에 다른 분포를 갖는다.
이온 농도 센서(1402)가 동작하는 동안, 1차 펌프 전류(1412)는 제 1의 일정한 1차 펌프 전류와 제 2의 일정한 1차 펌프 전류 사이에서 변화되어 1차 이온 흐름(1408)을 변화시킨다. 변화하는 이온 흐름은 제 1 이온 농도(1420)를 증가 및 감소시켜 변화하는 제 1 출력 신호(1426)를 초래한다. 1차 펌프 전류(1412)는 제 1 출력 신호(1416)에 따라 조정된다. 아래의 구현예에서, 1차 펌프 전류(1412)는 제 1 출력 신호(1416)가 상한 임계값에 도달하는 경우와 하한 임계값에 도달하는 경우 반전된다. 제 1의 일정한 1차 펌프 전류는 제 2 일정한 1차 펌프 전류로부터 반대 극성을 갖는다.
2차 펌프 전류(1414)는 제 1 출력 신호(1416)와 제 2 출력 신호(1418) 간의 관계에 기초하여 제 1의 일정한 2차 펌프 전류와 제 2의 일정한 2차 펌프 전류 사이에서 변화된다. 아래의 구현예에서, 2차 펌프 전류(1414)는 제 1 출력 신호(1416)와 제 2 출력 신호(1418) 간의 차가 상한 차 임계값에 도달하는 경우와 그 차가 하한 차 임계값에 도달하는 경우 반전된다. 따라서, 제 2 출력 신호(1418)는 제 1 이온 농도(1420)와 제 2 이온 농도(1422) 간의 상대적인 이온 농도를 나타내며 제 2 출력 신호(1418)와 제 1 출력 신호(1416) 간의 관계응 이온 농도를 나타낸다. 아래의 구현예에서, 예를 들면, 2차 펌프 전류를 제어하는 제어 신호의 듀티 사이클은 질소 산화물(NOx) 농도를 나타내며, 여기서 제 1 출력 신호(1416)은 산소 농도를 나타내고 제 2 출력 신호(1418)는 NOx를 산소와 질소로 촉매 작용으로 환원시킨 결과인 산소 농도를 나타낸다. 2차 펌프 전류 또는 전류를 제어하는 제어 신호와 관련된 또는 이로부터 유도된 임의의 신호 또는 파형은 NOx 농도를 결정하도록 평가될 수 있으며, 여기서 평가된 파형 또는 신호는 특정한 구현예에 좌우된다. 또한, 임계값에 종속하고 임계값을 선택함으로써 조정될 수 있는 히스테리시스 기능이 형성된다.
도 15는 펌프 셀(1502), 산소 측정 셀(1504), 및 질소 감지 전기화학 셀(1506)을 갖는 NOx 센서(1501)를 포함하는 질소 산화물(NOx) 센서 시스템(1500)의 블록도이다. 따라서, NOx 센서(1501)는 이온 센서(1400)의 구현예이며, 여기서 제 1 전기화학 시스템(1404)은 펌프 셀(1502) 및 산소 측정 셀(1504)을 포함하고 제 2 전기화학 시스템(1406)은 질소 감지 전기화학 셀(1506)을 포함한다. 펌프 셀(1502)은 측정되는 외부 유체(1508) 및 측정 챔버(1510)에 노출된다. 산소 측정 셀(1504) 및 질소 감지 셀(1506)은 주변 유체(1512) 및 측정 챔버(1510)에 노출된다. 센서(1501)가 가스 및 액체를 포함하는 다양한 유체와 작용하도록 설계될 수 있지만, 전형적인 구현예는 가스 농도를 측정하기 위한 구성을 포함한다. 적절한 구현예의 일례는 배기 가스의 NOx 농도를 측정하기 위해서 내연 기관의 배기 시스 템 내에 NOx 센서(1501)를 설치하는 것을 포함한다. 따라서, 이와 같은 시스템에서, 외부 유체(1508)는 배기 가스이며 주변 유체(1512)는 주변 공기이다.
측정된 배기 가스와 같은 측정된 유체(1514)는 확산 갭 또는 다른 개구부와 같은 측정 개구부를 통하여 측정 챔버(1510)로 수용된다. 도 16을 참조하여 아래에서 설명하는 바와 같이, 측정된 유체(1514)는 펌프 셀(1502)을 통한 확산 갭을 통하여 수용된다. 센서 관리 장치(1516)는 셀 전류를 제어하여 출력 신호를 검출함으로써 센서(1501)를 관리한다. 산소 측정 셀(1504)은 측정 챔버(1510) 내의 산소 이온 농도를 나타내는 산소 셀 출력 신호(1518)를 제공한다. 따라서, 산소 이온 농도는 도 14의 예의 제 1 이온 농도(1420)의 일례이다. 산소 측정 셀 출력 신호(1518)는 제 1 출력 신호(1416)의 일례이다.
동작하는 동안, 센서 관리 장치(1516)는 제 1의 일정한 펌프 전류와 제 2의 일정한 펌프 전류 사이에서 펌프 셀(1502)을 통하여 펌프 셀 전류(1520)를 변화시킨다. 산소 측정 셀 출력 신호(1518)는 센서 관리 장치(1516)에 의해 제어되고 펌프 전류(1520)의 방향을 스위칭하는 시기를 결정하는데 이용된다. 산소 측정 셀 출력 신호(1518)가 상한 임계값에 도달하는 경우, 펌프 전류(1520)는 산소 이온을 측정 챔버(1510) 내로 펌핑하는 플러스의 일정한 펌프 전류로부터 산소 이온을 측정 챔버(1510)로부터 외부로 펌핑하는 마이너스의 일정한 펌프 전류로 반전된다. 산소 측정 셀 출력 신호(1518)가 하한 임계값에 도달하는 경우, 펌프 전류(1520)는 플러스 펌프 전류로 다시 스위칭된다. 산소 관리 장치와 센서 간의 접속을 예시하는 선은 신호의 기능적 표현이며 물리적 접속의 실제 개수는 특정한 구현예에 따라 결정된다. 접속 중 일부는 접지 또는 다른 전위에 접속될 수 있다. 도 17을 참조하여 설명하는 바와 같이, 예를 들면, 셀 각각으로부터의 전극은 접지에 접속되고 (접지 이외의 다른) 2개의 전기적 접속만이 센서와 센서 관리 장치 사이에서 이루어진다.
질소 감지 전기화학 셀(1506)은 질소 산화물(NOx)을 질소와 산소로 환원시켜 셀(1506)에서의 국부적인 산소 이온 농도를 나타내는 질소 셀 출력 신호(1522)를 발생시키는 임의의 전기화학 셀이다. 아래의 도 16을 참조하여 설명하는 예에서, 질소 감지 전기화학 셀(1506)은 측정 챔버(1510)에 노출되고 NOx를 N2와 O2로 촉매 작용으로 환원시키는 백금 및 로듐(Pt/Rh) 전극을 포함한다. NOx가 존재하는 경우, NOx 셀 전극에서의 국부적인 산소 농도는 측정 챔버(1510)의 나머지 내의 산소 농도보다도 더 높다. 따라서, 이 국부적인 산소 농도는 도 14의 제 2 이온 농도(1422)의 일례이다. 센서 관리 장치(1516)는 질소 셀 출력 신호(1522)를 산소 측정 셀 출력 신호(1518)와 비교하여 질소 감지 전기화학 셀(1506)을 통하여 질소 셀 펌프 전류(1524)를 인가한다. 질소 셀 펌프 전류(1524)는 질소 셀 펌프 전류(1524)가 마이너스인 경우에 산소 이온을 측정 챔버로부터 주변 공기(1512)로 펌핑하고, 질소 셀 펌프 전류(1524)가 플러스인 경우에 산소를 주변 공기(1512)로부터 측정 챔버(1510) 내로 펌핑한다. 질소 셀 펌프 전류(1524)는 산소 셀 출력 신호와 질소 셀 출력 신호(1522) 간의 차가 상한 임계값에 도달하는 경우와 하한 임계값에 도달하는 경우에 반전된다. 따라서, 질소 셀 펌프 전류(1524)를 스위칭하 는 제어 신호의 함수(파형)는 측정된 유체(1514)의 NOx 농도를 나타낸다. 농도는 다른 값 또는 신호를 관찰함으로써 결정될 수 있다. 질소 셀 펌프 전류(1524)의 듀티 사이클은 예를 들면 질소 농도를 결정하도록 분석될 수 있다. 따라서, 산소 측정 셀 출력 신호(1518)(제 1 출력 신호(1416))와 질소 감지 셀 출력 신호(1522)(제 2 출력 신호(1418)) 간의 차에서 유도 또는 이와 관련된 다른 값은 질소 산화물 농도를 결정하는데 이용될 수 있다.
도 16은 도 15의 NOx 센서(1501)의 구현예인 가스 중의 이온 농도를 측정하는 NOx 센서(1600)의 단면의 블록도이다. 따라서, NOx 센서(1600)는 NOx 센서(1501)의 일례이며, 여기서 NOx 센서(1600)가 내연 기관의 배기 시스템 내에서 사용될 수 있다. 센서(1600)는 또한 다른 시스템 내에서 그리고 다른 용도로 사용될 수 있다. 다른 용도는 검출 경고 장치 및 의료 장치를 포함할 수 있다.
NOx 센서(1600)는 2개의 적층된 지르코늄 이산화물(ZrO2) 세라믹 층(1602, 1604)을 포함한다. 층(1602, 1604) 사이의 밀봉된 공간은 측정 챔버(1510)를 형성한다. 백금 전극(1606, 1608)은 제 1 층(1602)의 각 측면에 배치되어 배기 전극(1606)은 배기 가스(1610)(외부 유체(1508))에 노출되고 측정 전극(1608)은 측정 챔버(1510) 내의 가스에 노출된다. 제 1 층 내의 홀(1612)은 측정된 가스(1614)(측정된 유체(1514))를 수용하는 확산 갭을 형성한다. 다른 유형의 확산 갭 및 확산 층은 일부 환경에서 사용될 수 있다.
단일 백금 전극(공기 전극)(1616)은 제 2 ZrO2 층(1604)에 배치되어 공기 전 극(1616)이 측정 챔버(1510)와 대향하고 주변 공기(1618)(주변 유체(1512))에 노출된다. 또 다른 백금 전극(산소 측정 전극)(1620)은 공기 전극(1616)과 대향하는 제 2 층(1604)에 배치되어 공기 전극(1616)과 제 2 층(1604)을 갖는 산소 측정 셀(1504)을 형성한다. 백금/로듐(Pt/Rh) 전극(1622)은 공기 전극(1616) 및 제 2 층(1604)을 갖는 질소 감지 전기화학 셀(1506)을 형성한다. 따라서, 백금 전극(1606, 1608)을 갖는 제 1 층(1602)은 펌프 셀(1502)을 형성하고 백금 층(1616, 1620) 및 Pt/Rh 전극(1622)을 갖는 제 2 층(1604)은 산소 측정 셀(1504) 및 질소 감지 셀(1506)을 형성한다. 펌프 셀(1502)을 통한 전류(1520)는 이 전류의 방향과 반대 방향으로 산소 이온을 이송한다. 산소 측정 셀(1504), 펌프 셀(1502), 및 질소 감지 셀(1506) 양단의 전압은 Nernst 식에 의해 지배된다:
Voutn = (R*T/4*F)*In(Po1/Po2)
식 중 R은 일반 기체 상수, T는 켈빈 온도, F는 패러데이 상수, Po1은 한 전극(산소 측정 셀과 Pt/Rh 셀에 대한 공기, 및 펌프 셀에 대한 배기 가스)의 부분 산소압, 그리고 Po2는 다른 한 전극(측정 챔버 내의 전극)의 부분 산소압이다. 공기 산소 부분압은 대략 20000 파스칼이다.
질소 감지 셀(1506)은 질소와 산소에 반응한다. Pt/Rh 전극(1622)은 질소 산화물(NOx)을 질소(N2)와 산소(O2)로 촉매 작용으로 환원시킨다. 이 메커니즘은 Pt/Rh 전극(1622)의 표면에서 산소 함유량(부분압)의 국부적인 농축을 초래한다. 따라서, Pt/Rh 전극 부근의 산소의 국부적인 농도는 NOx가 존재하는 경우에 증가한 다. 공기 전극과 Pt/Rh 전극 사이의 Nernst 전압은 산소 측정 셀 출력 전압(제 1 출력 신호(1416))보다도 더 낮다. Pt/Rh 전극(1622) 부근의 국부적인 산소 농도는 도 14의 제 2 이온 농도(1422)의 일례이다.
도 17은 도 16의 NOx 센서(1600)에 접속된 센서 관리 장치(1516)를 포함하는 NOx 측정 시스템(1700)의 개략적인 기능도이다. NOx 측정 시스템(1700)은 하드웨어, 소프트웨어 및 펌웨어의 임의의 조합을 이용하여 구현될 수 있다. 도 17을 참조하여 설명하는 기능 블록의 다양한 기능 및 동작은 임의 개수의 장치, 회로 또는 소자로 구현될 수 있다. 임의의 기능 블록은 단일 장치 내에 통합될 수 있으며 블록의 기능은 몇 개의 장치, 회로 및 소자 상에 분배될 수 있다. 기능 블록의 일부는 일부 경우에 생략될 수 있다. 예를 들면, 이들 장치의 동작이 계수기에 의한 출력 펄스의 계수에 고유하기 때문에 플립-플롭은 생략될 수 있다. 따라서, 도 17은 측정 시스템 내에 접속된 바와 같이 센서(1600)의 구현예의 다이어그램이다. 도 17을 참조하여 설명되는 다양한 소자, 장치, 값, 신호, 및 기능은 특정한 구조, 사용, 환경 및 특정한 측정 시스템과 센서의 요건에 따라서 센서(1400, 1501, 1600)의 다른 구현예를 이용한 다른 측정 시스템에 대하여 다를 수 있다.
히스테리시스를 갖는 제 1 비교기(1702)는 산소 측정 셀(1504) 양단의 산소 측정 셀 전압(1704)(제 1 출력 신호(1416))을 기준 전압(1706)과 연속적으로 비교한다. 본 예에서, 기준 전압(1706)은 -450 mV이다. 산소 측정 셀 전압(1704)(제 1 출력 신호(1416))이 하한 임계값 미만으로 강하되는 경우, 제 1 비교기 출력은 로직 하이 신호이며, 산소 측정 셀 전압(1704)(제 1 출력 신호(1416))이 상한 임계 값 이상으로 상승하는 경우, 제 1 비교기 출력은 로직 로 신호이다. 상한 및 하한 임계값은 비교기(1702)의 히스테리시스에 의해 결정되고 측정 챔버(1510) 내의 산소 농도 임계값에 대응하도록 선택된다. 제 1 비교기 출력(1707)은 제 1 플립-플롭(FF1)(1708)에 의해 처리되어 클록 입력(1710)은 제 1 플립-플롭(1708)의 FF1 출력(1712)을 게이팅한다. FF1 출력(1712)는 제 1의 일정한 펌프 전류(1718)와 제 2의 일정한 펌프 전류(1720) 사이에서 펌프 셀(1502)을 통하여 펌프 셀 전류(1716)를 안내하는 제 1 전류 스위치(1714)를 제어한다. 본 예에서, 제 1 및 제 2의 일정한 펌프 전류는 크기는 같지만 반대의 극성을 갖는다. 따라서, 제 1 비교기 출력(1707)은 하한 임계값(-1/2 히스테리시스) 미만으로 떨어진 후, 제 1 플립-플롭 출력(1712)은 다음 클록 사이클에서 하이로 설정된다. 결과적인 하이 FF1 출력은 제 1 전류 스위치(1714)가 펌프 셀(1502)을 통하여 일정한 플러스 펌프 전류(1718)를 안내하도록 설정한다. 이 상태에서, 펌프 셀(1502)은 배기측 전극(1610)으로부터 펌프 셀(1502)을 통하여 측정 챔버(1510) 내로 산소를 펌핑한다. 제 1 전류 스위치(1714)는 FF1 출력(1712)에 의해 스위칭될 때까지 이 위치에 유지된다. 산소 측정 셀 전압(1704)이 상한 임계값(+1/2 히스테리시스)에 도달하는 경우, 제 1 비교기(1702)는 로직 로 상태인 제 1 비교기 출력 신호를 발생시킨다. 다음 클록 사이클에서, 제 1 플립-플롭(1708) 출력은 로직 로 신호로 변경되어 제 1 전류 스위치(1714)를 마이너스의 일정한 펌프 전류(1720)로 스위칭한다. 도 17은 제 1 전류 스위치(1714)에 안내되는 플러스 전류원(1726) 및 마이너스 전류원(1728)을 포함하는 스위칭 전류원(1724)을 예시한다. 따라서, 스위칭 전류원(1724)은 도 14에서 언급된 1차 펌프 전류(1412)를 제공한다. 임의의 많은 기술 및 회로를 이용하여 제 1의 일정한 펌프 전류(1718)로부터 제 2의 일정한 펌프 전류(1720)로 스위칭하는 스위칭 전류원(1724)의 기능을 달성할 수 있다. 적절한 기술의 일례는 상술한 바와 같은 피드백 루프를 제공하도록 입력으로서 연산 증폭기의 출력을 이용하는 것을 포함한다. 또 다른 예는 트랜지스터 회로를 전류원으로서 이용하는 것과 전류원과 전류 싱크(current sink) 사이에 스위칭하는 전자 스위치를 이용하는 것을 포함한다.
히스테리시스를 갖는 제 2 비교기(1730)는 산소 측정 셀 전압(1704)(제 1 출력 신호(1416))과 Pt/Rh 셀 출력 전압(1734)(제 2 출력 신호(1418)) 간의 관계에 기초하여 출력(1732)을 발생시킨다. 상술한 바와 같이, Pt/Rh 전극(1622)은 NOx를 N2와 O2로 환원시켜 Pt/Rh 전극(1622) 부근의 국부적인 산소 농도에 기초하여 출력(1734)을 발생시킨다. NOx가 존재하는 경우, 국부적인 산소 농도는 증가하고 공기 전극(1616)과 Pt/Rh 전극(1622) 간의 Nernst 전압은 공기 전극(1622)과 산소 측정 셀(1504)의 측정 전극(1620) 간의 Nernst 전압보다도 낮다. 제 2 비교기(1730)는 산소 측정 셀 (1704)의 Nernst 전압(제 1 출력 신호)과 Pt/Rh 셀의 Nernst 전압(제 2 출력 신호)을 연속적으로 비교한다. NOx의 상당한 레벨이 존재하고 Pt/Rh 전압과 산소 측정 셀 전압의 차가 하한 임계값 미만인 경우(예컨대, 그 차는 임계값 크기 이상의 크기를 가짐), 제 2 비교기(1730)는 로직 로 상태인 제 2 비교기 출력 신호(1732)를 발생시킨다. 다음 클록 사이클에서, 제 2 플립-플롭(1736)은 또한 로직 로 상태인 FF2 출력(1740)을 발생시킨다. FF2 로 신호는 제 2 전류 스위치(1738)가 제 1의 일정한 Pt/Rh 셀 전류(1744)(제 1의 일정한 2차 펌프 전류)에서 Pt/Rh 셀(1506)을 통하여 Pt/Rh 셀 전류(1742)(2차 펌프 전류(1414))를 안내하도록 설정한다. 따라서, 제 1의 일정한 2차 펌프 전류는 도 17의 예에서 공기 전극(1616)으로부터 Pt/Rh 전극(1622)으로 흐르는 비교적 적은 마이너스 펌프 전류이다. 제 1의 일정한 2차 펌프 전류가 인가되는 경우, Pt/Rh 셀(1506)을 형성하는 전기화학 셀은 펌프 셀로서 기능하여 산소를 측정 챔버(1510)로부터 Pt/Rh 셀(1506)을 통하여 주변 공기(1524)로 펌핑한다. 따라서, Pt/Rh 셀(1506)을 통한 산소 흐름은 전류 흐름(1742)의 방향과 반대이다. 산소가 임계값보다 낮은 국부적인 산소 농도를 설정하도록 적당히 고갈되는 경우, 제 2 비교기(1730)는 로직 로 값인 제 2 비교기 신호(1732)를 발생시킨다. 따라서, 비교기(1730)는 Pt/Rh 셀을 검출하고 산소 측정 셀은 동일한 전압(또는 히스테리시스로 인한 거의 동일한 전압)을 가지며 하이 로직 신호를 발생시킨다. 다음 클록 사이클에서, 제 2 플립-플롭(1736)은 로직 하이 신호를 제 2 스위치(1738)에 제공하여 Pt/Rh 셀 전류(1742)(2차 펌프 전류(1414))를 제 1의 일정한 Pt/Rh 셀 전류(1744)(제 1의 일정한 2차 펌프 전류)로부터 제 2의 일정한 Pt/Rh 셀 전류(1746)(제 2의 일정한 2차 펌프 전류)로 스위칭한다. 따라서, Pt/Rh 셀 전류(1742)는 일정한 마이너스 Pt/Rh 셀 전류(1744)로부터 일정한 플러스 Pt/Rh 셀 전류(1746)로 스위칭하며, 여기서 전류(1744, 1746)는 펌프 셀 전류(1718, 1720)에 비해서 비교적 적다. Pt/Rh 셀을 통한 비교적 적은 플러스 전류는 산소를 공기(1524)로부터 측정 챔버(1510) 내로 펌핑한다. Pt/Rh 전극 부근의 국부적인 산소 농도는 하한 임계값에 도달하여 프로세스가 반복할 때까지 플러스 2차 펌프 전류 및 임의의 촉매 작용으로 환원된 NOx의 기여로 인해 계속 증가한다. 도 17은 제 2 스위치(1738)에 의해 안내되는 플러스 전류원(1750) 및 마이너스 전류원(1752)을 포함하는 스위칭 전류원(1748)을 예시한다. 임의의 많은 기술 및 회로가 사용되어 제 1의 일정한 Pt/Rh 셀 전류(1744)로부터 제 2의 일정한 Pt/Rh 셀 전류(1746)로 스위칭하는 스위칭 전류원(1746)의 기능을 달성할 수 있다. 따라서, 스위칭 전류원(1748)은 도 14에서 언급된 2차 펌프 전류(1414)를 제공한다.
제 2 플립-플롭 출력 신호(1740)의 NOx 펄스 밀도 출력은 측정 챔버(1510) 내의 NOx의 농도를 나타낸다. 어떠한 NOx도 존재하지 않는 경우, 신호(1740)의 로직 하이(1s) 및 로직 로(0s)의 수는 주어진 시간 주기 동안 동일하다. 이것은 Pt/Rh 전극(1622)에 의해 생성되는 임의의 부가적인 산소를 배출할 필요가 없기 때문에 발생한다. NOx 농도가 증가함에 따라, 더 많은 산소가 촉매 작용으로 생성되어 배출되고 1s의 수는 0s가 주어진 시간 주기 이상이면 그 수에 대하여 증가한다. 따라서, NOx 펄스 밀도 출력(1740)의 듀티 사이클은 NOx의 측정치이다.
컴퓨팅 장치(1754)는 제어 신호(1740)를 수신하여 듀티 사이클로부터 NOx 농도를 결정한다. 컴퓨팅 장치(1754)는 프로세서, 마이크로프로세서, 또는 하드웨어, 소프트웨어 및/또는 펌웨어의 조합을 이용하여 구현될 수 있다. 컴퓨팅 장치는 일부 경우에 계수기를 포함할 수 있다. 일부 경우에, 듀티 사이클을 농도에 관련된 저장된 값과 비교하는 표가 이용될 수 있다. 다른 경우에, 농도는 저장된 식 에 기초하여 계산될 수 있다. 예를 들면, 듀티 사이클과 농도 간의 관계는 대부분의 경우에 선형적, 또는 거의 선형적이다. 따라서, 검출된 듀티 사이클이 계산되고 선형 식에 적용하여 농도를 결정할 수 있다.
다양한 신호 극성, 크기, 로직 레벨 및 주파수가 특정한 구현예에 따라 선택된다. 적절한 값의 몇 가지 예는 다음을 포함한다. 적절한 2차 펌프 전류의 일례는 1차 펌프 전류보다도 낮은 2 내지 3배 크기인 2차 펌프 전류 크기를 포함한다. 이와 같은 선택은 측정 챔버 내의 전형적인 NOx 함유량이 산소 함유량보다도 상당히 낮기 때문에 종종 적합하다. 제 1 비교기의 히스테리시스는 비교기에 의해 제어되는 회로의 발진이 50 내지 100 Hz 정도가 되도록 선택된다. 제 2 비교기의 히스테리시스는 제 2 비교기에 의해 제어되는 NOx 회로의 발진이 1 내지 2 킬로헤르츠(1-2 KHz) 정도가 되도록 선택된다. 많은 상황에서, 제 2 비교기(1730)의 히스테리시스는 셀의 저항으로 인해 Pt/Rh 셀 양단의 전압(VR)을 보상하도록 선택된다. Pt/Rh 셀(1506)의 출력 전압(VCELL)은 Nernst 식에 의해 지배되는 Nernst 전압과 저항 전압(VR)의 결합으로 정해진다. (VR)은 (IPump2)*RCELL과 같고, 여기서 RCELL은 Pt/Rh 셀의 내부 저항(임피던스)이며 (IPump2)는 2차 펌프 전류이다. VR이 전류 방향에 따라서 극성을 스위칭하지만, Nernst 전압은 그렇지 않다.
따라서, 측정 시스템(1700)은 배기 가스(1508)의 NOx 함유량을 측정한다. 측정된 가스(1614)는 단일 확산 갭(1612)을 통하여 측정 챔버(1510) 내로 확산된다. 제 1 전기화학 시스템은 제 2 전기화학 시스템이 NOx를 측정하기 위해 병렬로 동작하는 동안 측정 챔버 내의 산소를 안내 및 측정한다. 제 2 전기화학 시스템은 NOx를 N2와 O2로 환원시키고 제 1 전기화학 시스템에 의해 관리되는 산소의 흐름과 나란히 측정 챔버 내부 및 외부로의 O2의 흐름을 관리한다. 상술한 바와 같이, 이 메커니즘은 종래의 NOx 센서에 비해서 몇 가지 이점을 제공한다. 예를 들면, 종래의 NOx 센서는 감도가 떨어지고 그들 구조로 인해 오차 및 잡음에 더 영향을 받기 쉽다. 상술한 바와 같이, 종래의 NOx 센서는 통상적으로 2개의 확산 캡 및 측정 챔버을 포함한다. 측정된 가스는 제 1 확산 갭을 통하여 광대역 산소 센서에 의해 수용된다. 광대역 산소 센서는 제한 전류 흐름 센서와 직렬(가스 흐름에 대하여)로 위치한다. 광대역 산소 센서는 NOx가 불활성 상태에 있는 동안 측정된 산소 가스를 고갈시키는데 사용된다. 산소 고갈 가스는 제 2 확산 갭을 통하여 제 2 측정 챔버 내로 확산된다. 제 2 챔버 내의 Pt/Rh 셀은 산소 및 질소에 민감하다. 이 셀에 가해지는 정전압은 산소 이온 흐름을 초래한다. 이 외부로 가해지는 전압은 셀의 Nernst 전압에 의해 대립되고, 결과적으로 매우 적은 전류가 전개된다. 적은 전류은 작은 범위에 대하여 NOx 함유량과 선형적이다. 이 범위는 분해의 대가로 다른 전압을 부가함으로써 확장될 수 있다. 이 전류가 매우 적고(나노-암페어 범위로) NOx 함유량에 매우 느리게 반응하기 때문에, 센서는 또한 NOx 함유량에 매우 느리게 대응한다. 이것은 NOx가 2개의 확산 갭 및 측정 챔버를 통하여 흐를 필요성에 의해서 심화된다. 시스템이 일정한 저 산소 함유량에 의존하기 때문에, 그 산소 함유량에서의 임의의 오차가 NOx 측정치에서의 오차로서 나타난다. 물론 이 것은 센서의 최대 감도를 제한한다. 매우 적은 전류는 또한 잡음에 매우 민감하고 측정은 전기 잡음에 상당히 민감하다. 이들 및 다른 제한은 본원에서 설명하는 구조, 회로, 및 기술을 이용하여 감소 또는 해소된다.
상술한 바와 같이, 도 17을 참조하여 설명되는 기능 및 요소들은 하드웨어, 소프트웨어 및/또는 펌웨어의 임의 조합을 이용하여 구현될 수 있다. 전류원(1726) 및 전류 싱크(1728)의 적절한 구현예의 일례는 스위칭 가능한 극성을 갖는 전류원을 포함한다. 연산 증폭기와 저항기로 구성된 Schmitt-Trigger 회로가 히스테리시스를 갖는 적절한 비교기(1702)의 일례이다. 전압원은 저항기 분배기 네트워크를 이용하여 실현될 수 있다.
따라서, 동작하는 동안, 히스테리시스를 갖는 비교기(1702)는 측정 챔버 전극(1620)과 공기 전극(1616)으로 구성된 O2 측정 셀의 출력을 전압원(1706)으로부터의 고정 전압과 비교한다. 비교기의 출력은 제 1 플립-플롭(D- 플립 플롭)(1708)을 이용하여 클록 소스에 동기화된다. 플립-플롭(1708)의 출력은 스위치(1714)를 통하여 펌프 전류의 방향을 제어한다. D-플립 플롭(1708)의 출력은 펄스 밀도(또는 듀티 사이클)가 측정된 가스의 O2 농도에 비례하는 펄스 밀도 변조 신호이다. (히스테리시스를 갖는) 비교기(1730)는 O2 기준 셀(1620, 1616)의 출력을 Pt/Rh 전극(1622)과 공기 전극(1616)으로 구성된 Pt/Rh NOx 감지 셀에서의 전압과 비교한다. 어떠한 NOx도 존재하지 않으면, NOx 감지 전극 및 O2 감지 전용 전극에서의 Nernst 전압은 동일하다. 그렇지만, 비교기(1730)의 히스테리시스로 인해서, 적은 펌프 전류(IPt / Rh)는 Pt/Rh 셀을 통하여 흐른다. 이 펌프 전류는 그 방향에 따라서 Pt/Rh 전극에서의 산소 함유량을 국부적으로 증가 또는 감소시킨다. 이것은 그 전극에서의 전압을 변경시킨다. 히스테리시스 포인트 중 하나에 도달하는 경우, 비교기의 출력은 1에서 0(또는 0에서 1로) 스위칭한다. 이 스위칭은 D-플립 플롭(1736)에 의해 클록 동기화된다. 이 D-플립 플롭의 출력은 펌프 전류(IPt / Rh)의 극성이 전자 스위치(1738)를 통하여 방향을 반전시키도록 한다. 어떠한 NOx도 존재하지 않으면, 어떠한 실질적 O2 흐름도 Pt/Rh 셀을 통하여 요구되지 않으므로 O2 기준 셀과 동일한 Nernst 전압을 유지한다. 이 경우에, 주어진 시간 주기 동안, D-플립 플롭(1736)의 출력은 낮은 만큼 종종 높다. 결과적으로, NOx 펄스 밀도 출력의 평균 듀티 사이클은 50%이다. NOx가 존재하면, NOx의 일부는 Pt/Rh 전극에서 O2와 N2로 분해된다. 이것은 Pt/Rh 전극에서 O2 분자의 국부적인 과잉을 초래한다. Pt/Rh 셀과 O2 기준 셀 사이에서 동일한 Nernst 전압을 유지하기 위해서, 이 과잉 O2는 제거되어야 한다. 전류가 Pt/Rh 셀을 통하여 공기 전극(1616)으로부터 Pt/Rh 전극(1622)으로 흐르는 경우, 셀은 산소 펌프 셀로서 작용하여, O2 이온을 Pt/Rh 전극으로 공기 측으로 펌핑한다. 따라서, 이 시나리오에서 주어진 시간 주기 동안, 전자 스위치(1738)는 IPt / Rh1로 스위칭되는 활성 위치에서 보다 많은 시간을 소비한다. 결과적으로, 평균 듀티 사이클은 50%보다 크다. 듀티 사이클은 NOx 농도 및 선택된 IPt / Rh 절대값에 따라 결정된다. 대부분의 환경에서, 측정 가스의 NOx 농도와 평균 듀티 사이클 간의 관계는 선형적 또는 거의 선형적이다. 일부 상황에서, 센서 시스템은 듀티 사이클을 NOx 농도와 정확하게 상관시키도록 교정된다. 적절한 교정 기술의 일례는 센서 유닛 내에서 구현되는 하나 이상의 외부 저항기를 조정하는 것을 포함한다. 이와 같은 기술은 제조하는 동안 공장에서 행해져 선형적 관계의 구배를 설정할 수 있다. 일부 상황에서, 교정이 생략되고 제조 허용오차, NOx 농도 측정의 요구되는 정밀도, 및 기타 다른 요소에 따라서 교정이 필요한지를 결정할 수 있다.
제 1 비교기(1702) 및 플립-플롭(1708)은 측정 챔버 내의 제 1 이온 농도에 따라 제 1 전기화학 셀 시스템에 의해 발생되는 제 1 출력 신호를 검출하여 제 1 스위칭 전류원을 제어하도록 구성되는 제 1 검출 회로(1756)의 일례이다. 제 1 스위칭 전류원은 제 1의 일정한 1차 펌프 전류와 제 2의 일정한 1차 펌프 전류 사이에서 제 1 전기화학 셀 시스템을 통하여 1차 펌프 전류를 안내하여 제 1 이온 흐름을 측정 챔버 내로 그리고 측정 챔버로부터 외부로 안내하도록 구성된다. 제 1 전기화학 시스템은 본 예에서 측정 셀 및 펌프 셀을 포함한다. 제 2 비교기(1730) 및 제 2 플립-플롭(1738)은 측정 챔버 내의 제 2 이온 농도에 따라 제 2 전기화학 셀 시스템에 의해 발생되는 제 2 출력 신호를 검출하도록 구성된 제 2 검출 회로(1758)의 일례이다. 따라서, 제 2 검출 회로(1758)는 제 1 출력 신호와 제 2 출력 신호 간의 관계에 기초하여 제어 신호(1740)를 발생시키도록 구성된다. 제어 신호(1740)에 응답하여, 제 2 스위칭 전류원(1748)은 제 1의 일정한 2차 펌프 전류와 제 2의 일정한 2차 펌프 전류 사이에서 제 2 전기화학 셀 시스템을 통하여 2차 펌프 전류를 안내하여 제 2 이온 흐름을 측정 챔버 내로 그리고 측정 챔버로부터 외부로 안내하도록 구성된다.
도 18은 측정 챔버(1510) 내의 산소 농도의 그래프 표현도(1800)이다. 도 18은 값과 도시된 진폭 및 주파수 간의 일반적인 관계가 반드시 축척 표시될 필요는 없으며 실제 측정된 양을 나타낼 필요가 없을 보여준다. 제 1 이온 농도 곡선(1802)은 측정 챔버(1510) 내의 일반적인 산소 농도와 같은 제 1 이온 농도(1420)를 나타낸다. 제 2 이온 농도 곡선(1804)은 Pt/Rh 전극(1622) 부근의 국부적인 산소 농도와 같은 제 2 이온 농도(1422)를 나타낸다. 대부분의 상황에서, 곡선(1802, 1804)은 산소 측정 셀(1504) 및 질소 감지 셀(1506)의 셀 전압과 같은 제 1 및 제 2 출력 신호(1416, 1418)에 비례한다. 제 1 이온 농도 곡선(1802)은 산소 농도 상한 임계값(1806)과 산소 농도 하한 임계값(1808) 사이에서 변화하지만 이들 임계값은 일부 환경에서 초과될 수 있다. 산소 농도 하한 임계값(1808)은 일부 상황에서 0과 같거나 또는 거의 0일 수 있다. 따라서, 산소 농도 하한 임계값(1808)은 산소 측정 셀 전압(1704)을 기준 전압(1706)과 비교할 때 제 1 비교기에 의해 인가되는 하한 임계값에 대응한다. 산소 농도 상한 임계값(1806)은 제 1 비교기(1702)에 의해 인가되는 상한 임계값에 대응한다.
도 19는 NOx 펄스 출력 곡선(1902)의 그래프 표현도(1900)이다. 도 19는 값과 도시된 진폭 및 주파수 간의 일반적인 관계가 반드시 축척 표시될 필요는 없으 며 실제 측정된 양을 나타낼 필요가 없을 보여준다. NOx 펄스 출력 곡선(1902)은 로직 하이(1904)와 로직 로(1906) 사이에서 변화하며 측정 챔버(1510) 내의 NOx 농도에 종속하는 듀티 사이클을 갖는다. 제 2 플립-플롭 출력(1740)은 NOx 펄스 출력 곡선(1902)을 제공할 수 있다. NOx 펄스 출력 곡선(1902)의 제 1 부분(1906)은 측정 챔버 내에 어떠한 NOx도 존재하는 않는 경우 제 2 플립-플롭(1736)의 출력을 나타낸다. 제 1 부분(1906)에서 듀티 사이클은 50 퍼센트이다. 제 2 부분(1908)은 NOx가 존재하는 경우 제 2 플립-플롭 출력(1740)을 나타낸다. 제 2 부분은 주어진 클록 속도에서 1s의 수가 시간 주기 내에서 0s의 수보다 크기 때문에 50 퍼센트보다 큰 듀티 사이클을 갖는다.
도 20은 센서 관리 장치(2004)에 접속된 NOx 센서(2002)를 포함하는 센서 시스템(2000)의 블록도이며, 여기서 NOx 센서(2002)는 산소 센서 셀 및 산소 측정 셀의 기능을 행하는 단일 전기화학 셀(2006)을 포함한다. 따라서, NOx 센서(2002)는 이온 센서의 구현예이며, 여기서 제 1 전기화학 시스템(1404)은 산소 전기화학 셀(2006)을 포함하고 제 2 전기화학 시스템(1406)은 질소 감지 전기화학 셀(2008)을 포함한다. 외부 유체(2010)는 확산 갭, 확산 층, 또는 기타 다른 개구부를 통하여 측정 챔버(2012) 내로 측정된 유체(2014)로서 수용된다. 산소 전기화학 셀(2006) 및 질소 감지 전기화학 셀(2008)은 주변 유체(2016) 및 측정 챔버(2012)에 노출된다. 센서(2002)가 가스와 액체를 포함하는 다양한 유체와 함께 작용하도록 설계될 수 있지만, 전형적인 구현예는 가스 농도를 측정하기 위한 구성을 포함한다. 절절한 구현의 일례는 배기 가스의 NOx 농도를 측정하기 위해서 내연 기관 의 배기 시스템 내에 NOx 센서(2002)를 설치하는 것을 포함한다. 따라서, 이와 같은 시스템에서, 외부 유체(2010)는 배기 가스이며 주변 유체(2014)는 주변 공기이다. 센서 시스템(2000)은 하드웨어, 소프트웨어 및 펌웨어의 임의 조합을 이용하여 구현될 수 있다. 본원에서 설명되는 기능 블록의 다양한 기능 및 동작은 임의 개수의 장치, 회로 또는 소자로 구현될 수 있다. 임의의 기능 블록은 단일 장치 내에 통합될 수 있으며 블록의 기능은 몇 개의 장치, 회로 및 소자 상에 분배될 수 있다.
센서 측정 장치(2004)는 산소 전기화학 셀(2006)에서의 셀 전압(2020)에 따라 제 1 정전류와 제 2 정전류 사이에서 산소 전기화학 셀(2006)을 통하여 펌프 전류(2018)를 변화시킨다. 산소 전기화학 셀(2006)은 산소 전기화학 셀(2006)을 통하여 흐르는 펌프 전류(2018)에 기초하여 측정 챔버(2012)와 공기와 같은 주변 유체(2016) 사이에서 이온을 이동시킨다. 센서 측정 장치(2004)는 산소 전기화학 셀(2006)에서의 셀 전압(2020)과 질소 감지 셀(2008)에서의 셀 전압(2024) 간의 관계에 따라 제 1 정전류와 제 2 정전류 사이에서 질소 감지 전기화학 셀(2008)을 통하여 펌프 전류(2022)를 또한 변화시킨다. 질소 전기화학 셀(2006)은 NOx를 산소 이온과 질소 이온으로 환원시키며 질소 감지 전기화학 셀(2008)을 통하여 흐르는 펌프 전류(2022)에 기초하여 측정 챔버(2012)와 공기와 같은 주변 유체(2016) 사이에서 산소 이온을 이동시킨다.
센서 측정 장치(2004)는 질소 감지 전기화학 셀(2008)의 셀 전압(2024)과 비교하기 위한 기준치를 제공하기 위해서 전체 셀 전압(2020)으로부터 산소 전기화학 셀(2006)의 Nernst 전압을 추출한다. 산소 전기화학 셀의 내부 저항이 결정되고 셀 전압으로부터 감산되어 측정 챔버 내의 측정된 유체의 제 1 영역 내의 산소 이온 농도를 나타내는 산소 전기화학 셀(2006)의 Nernst 전압을 얻는다. 따라서, 산소 전기화학 셀(2006)의 Nernst 전압은 도 14의 제 1 출력 신호(1416)의 일례이다.
동작하는 동안, 센서 관리 장치(2004)는 제 1의 일정한 펌프 전류와 제 2의 일정한 펌프 전류 사이에서 산소 전기화학 셀(2006)을 통하여 셀 전류(2012)를 변화시킨다. 산소 측정 셀 출력 신호(2020)는 센서 관리 장치(2004)에 의해 모니터링되고 셀 전류(2018)의 방향을 스위칭하는 시기를 결정하는데 이용된다. 산소 측정 셀 출력 신호(2020)가 상한 임계값에 도달하는 경우, 셀 전류(2018)는 산소 이온을 측정 챔버(2012) 내로 펌핑하는 플러스의 일정한 펌프 전류로부터 산소 이온을 측정 챔버(2012)로부터 외부로 펌핑하는 마이너스의 일정한 펌프 전류로 반전된다. 산소 측정 셀 출력 신호(2020)가 하한 임계값에 도달하는 경우, 셀 전류(2018)는 플러스 펌프 전류로 다시 스위칭된다. 센서 관리 장치(2004)와 센서 간의 접속을 예시하는 선은 신호의 기능적 표현이며 물리적 접속의 실제 개수는 특정한 구현예에 따라 결정된다. 접속의 일부는 접지 또는 다른 전위에 접속될 수 있다. 도 22를 참조하여 설명하는 바와 같이, 예를 들면, 공기 전극은 접지에 접속되고 (접지 이외의 다른) 2개의 전기 접속만이 센서와 센서 관리 장치 사이에 이루어진다.
질소 감지 전기화학 셀(2008)은 질소 산화물(NOx)을 질소와 산소로 환원시켜 셀(2008)에서의 국부적인 산소 이온 농도를 나타내는 질소 셀 출력 신호(2024)을 발생시키는 임의의 전기화학 셀이다. 아래의 도 21을 참조하여 설명하는 예에서, 질소 감지 전기화학 셀(2008)은 NOx를 N2와 O2로 촉매 작용으로 환원시키는 측정 챔버(2012)에 노출되는 백금 및 로듐(Pt/Rh) 전극을 포함한다. NOx가 존재하는 경우, NOx 셀 전극에서의 국부적인 산소 농도는 측정 챔버(2012)의 나머지 내의 산소 농도보다도 더 높다. 따라서, 이 국부적인 산소 농도는 도 14의 제 2 이온 농도(1422)의 일례이다. 센서 관리 장치(2004)는 질소 셀 출력 신호(2024)를 산소 측정 셀 출력 신호(2020)의 Nernst 기여와 비교하여 질소 감지 전기화학 셀(2008)을 통하여 질소 셀 펌프 전류(2022)를 인가한다. 질소 셀 펌프 전류(2022)는 질소 셀 펌프 전류(2022)가 마이너스인 경우에 산소 이온을 측정 챔버로부터 주변 공기(2014)로 펌핑하고, 질소 셀 펌프 전류(2022)가 플러스인 경우에 산소를 주변 공기(2012)로부터 측정 챔버(2012) 내로 펌핑한다. 질소 셀 펌프 전류(2022)는 산소 셀 출력 신호의 Nernst 부분과 질소 셀 출력 신호(2024) 간의 차가 상한 임계값에 도달하는 경우와 하한 임계값에 도달하는 경우에 반전된다. 따라서, 질소 셀 펌프 전류(2022)를 스위칭하는 제어 신호의 함수(파형)는 측정된 유체(2014)의 NOx 농도를 나타낸다. 농도는 다른 값 또는 신호를 관찰함으로써 결정될 수 있다. 질소 셀 펌프 전류(1524)의 듀티 사이클은 예를 들면 질소 농도를 결정하도록 분석될 수 있다. 따라서, 산소 측정 셀 출력 신호(2020)(제 1 출력 신호(1416))와 질소 감지 셀 출력 신호(2024)(제 2 출력 신호(1418)) 간의 차에서 유도 또는 이와 관련된 임의의 값은 질소 산화물 농도를 결정하는데 이용될 수 있다.
도 15의 NOx 측정 시스템과 비교되는 바와 같이, 도 20을 참조하여 설명되는 NOx 측정 시스템(2000)은 개별 셀보다는 오히려 이온을 펌핑 및 측정하는 단일 전기화학 셀을 사용한다. 상술한 바와 같이, Nernst 전압은 NOx 농도를 결정하기 위한 기준치를 제공하기 위해서 전체 셀 전압으로부터 추출되어야 한다.
상술한 바와 같이, 전기화학 셀은 내부 저항을 갖는다. 정전류가 산소 전기화학 셀을 통하여 강제되는 경우, 전기화학 셀의 내부 저항에 의해 생성되는 전압 강하(저항 전압)와 Nernst 전압의 합인 전압이 셀에서 생성된다. 내부 저항은 때때로 오옴 임피던스로 칭하는 셀의 실제 임피던스이다. 저항 전압(VR)은 내부 저항을 통하여 흐르는 펌프 전류로부터의 결과이다. Nernst 전압은 측정 챔버 내의 산소 농도를 나타내며 전체 전기화학 셀 전압(VCELL)과 저항 전압(VR) 간의 차와 같다. 따라서, Nernst 전압은 전기화학 전압(VCELL)으로부터 저항 전압(VR)을 감산함으로써 계산될 수 있다. 도 20의 예에서, 센서 관리 장치(2004)는 플러스와 마이너스 정전류 사이에서 펌프 전류(2018)를 계속 스위칭하고, 셀 전압을 측정하며, 저항 전압(VR)을 감산함으로써 Nernst 전압에 기초한 산소 농도를 결정한다. 센서 관리 장치(2004)는 전류 관리 유닛 및 컴퓨팅 장치를 포함할 수 있으며, 여기서 전류 관리 유닛은 전류 흐름을 제어하여 셀 전압을 측정한다.
따라서, 산소 전기화학 셀의 측정된 전압은 산소 전기화학 셀을 통하여 펌프 전류의 반전을 트리거링하는데 이용된다. 예를 들면, 플러스 펌프 전류(Ip) 동안 Nernst 전압(｜VCELL｜- ｜R*Ip｜) > = 0.5 볼트이면, 펌프 전류(Ip)는 반전되고, R(내부 저항)은 아래에서 설명하는 바와 같이 계산되며, 프로세스는 Nernst 전압이 < = 0.4 V일 때까지 마이너스의 일정한 펌프 전류가 계속된다. 그리고 나서 펌프 전류(Ip)는 플러스로 다시 극성화 등이 된다. 본 예에서, 히스테리시스 전압은 0.1 V(0.5 V - 0.4 V)이다. 다른 히스테리시스 전압이 이용될 수 있다.
산소 전기화학 셀의 내부 저항(R)을 결정하는 적절한 기술의 일례는 셀을 통한 플러스와 마이너스 전류 사이 및/또는 마이너스와 플러스 전류 사이의 전이점에서 셀에서의 전압 변화를 측정하는 것을 포함한다. 펌프 전류가 일정한 플러스 및 마이너스 전류 사이에서 스위칭되기 때문에, 저항은 오옴 법칙에 기초하여 계산된다.
내부 저항은 전기화학 셀의 온도에 종속한다. 펌프 전류의 극성 반전에서, 셀은 반응 시간을 갖지 않았고 새로운 방향으로 어떠한 산소도 펌핑하지 않았다. 그러므로 Nernst 전압을 결정하는 산소 농도 차는 아직 상당한 양만큼 변경되지 않았다. 따라서, 셀에서의 전압 변화는 적어도 대부분 전류의 변화에 의해 초래된다. 전류의 차와 전압의 차에 기초하여, 내부 저항은 관계 RCELL = ΔVCELL/ΔIP에 기초하여 결정되며, 여기서 ΔVCELL은 셀에서의 전압 차이며 ΔIP는 전류 펌프의 차이다. 내부 저항(RCELL)은 오옴 법칙 VR = RCELL *IP에 기초한 내부 저항(RCELL)으로 인해 전압 강하(VR)를 결정하는데 이용된다. 저항 전압(VR)은 산소 전기화학 셀에서 실제의 전압(VCELL)으로부터 감산되어 질소 셀 출력(2024)과 비교하기 위한 기준치를 제공한다. 대부분의 애플리케이션에서, 전압 변화(ΔVCELL)는 전류 전이 전후에 몇 마이크로초까지 측정될 수 있다. 극성 반전 직전과 직후의 전압 간의 차는 ΔVCELL 전압 변화이다. ΔVCELL 전압을 측정하는 적절한 기술의 일례는 샘플 및 유지 회로를 사용하는 것을 포함한다.
적절한 센서 관리 장치(2004)의 일례는 인터페이스(2026)를 통하여 측정 셀 시스템(산소 전기화학 셀(2006) 및 질소 감지 전기화학 셀(2008))에 접속하도록 구성되는 장치를 포함하며 전류 관리 유닛 및 컴퓨팅 장치를 형성하는 회로를 포함한다. 인터페이스(2026)는 센서(2002)와 센서 관리 장치(2004) 사이에서 신호를 전달하는 전기적 커넥터, 다이렉트 케이블 접속, 또는 기타 다른 전기 접촉 장치를 포함할 수 있다.
도 21은 도 20의 NOx 센서(2002)의 구현예인 가스 내의 이온 농도를 측정하는 NOx 센서(2100)의 단면의 블록도이다. 따라서, NOx 센서(2100)는 NOx 센서(2002)의 일례이며, 여기서 NOx 센서(2100)는 내연 기관의 배기 시스템 내에서 사용될 수 있다. 센서(2100)는 또한 다른 시스템 내에서 그리고 다른 용도로 사용될 수 있다. 다른 용도의 예는 검출 경고 장치 및 의료 장치를 포함한다.
NOx 센서(2100)는 단일의 적층된 지르코늄 이산화물(ZrO2) 세라믹 층(2102)을 포함한다. 층(2102)과 챔버 하우징(2104) 사이의 공간은 측정 챔버(2012)를 형성한다. 챔버 하우징(2104) 내의 홀(2106)은 측정된 가스(2108)(측정된 유체(2014))를 수용하는 확산 갭을 형성한다. 확산 갭은 확산 갭, 확산 층, 또는 측 정 챔버 내의 다른 개구부일 수 있다.
단일 백금 전극(공기 전극)(2110)은 공기 전극(2110)이 측정 챔버(2012)와 대향하여 주변 공기(2112)(주변 유체(2014))에 노출되도록 ZrO2 층(2102)에 배치된다. 또 다른 백금 전극(산소 전극)(2114)은 공기 전극(2110)에 대향하는 층(2102)에 배치되어 측정된 가스(2108)에 노출되며, 측정 챔버는 공기 전극(2110) 및 ZrO2 층(2102)을 갖는 산소 전기화학 셀(2006)을 형성한다. 백금/로듐(Pt/Rh) 전극(2116)은 ZrO2 층(2102)의 측정 챔버 측에 배치되고 또한 측정 챔버(2012) 내의 측정된 가스(2108)에 노출된다. 백금/로듐(Pt/Rh) 전극(2116)은 공기 전극(2110) 및 ZrO2 층(2102)을 갖는 질소 감지 전기화학 셀(2008)을 형성한다. 따라서, 산소 전극(114), 공기 전극(2110), 및 ZrO2 층(2102)은 산소 전기화학 셀(2006)을 형성하고, Pt/Rh 전극(2116), 공기 전극(2110), 및 ZrO2 층(2102)은 질소 감지 셀(2008)을 형성한다.
산소 전기화학 셀(2006)을 통한 전류(2018)는 이 전류의 방향과 반대 방향으로 산소 이온을 이송한다. 질소 감지 셀(2008)은 질소와 산소에 반응한다. Pt/Rh 전극(2116)은 질소 산화물(NOx)을 질소(N2)와 산소(O2)로 촉매 작용으로 환원시킨다. 이 메커니즘은 Pt/Rh 전극(2116)의 표면에서 산소 함유량(부분압)의 국부적인 농축을 초래한다. 따라서, Pt/Rh 전극(2116) 부근의 산소의 국부적인 농도는 NOx가 존재하는 경우에 증가한다. 공기 전극(2110)과 Pt/Rh 전극(2116) 사이의 Nernst 전압은 NOx가 존재하는 경우에 산소 측정 셀 출력 전압(2020)(제 1 출력 신호(1416))보다도 더 낮다. Pt/Rh 전극(2116) 부근의 국부적인 산소 농도는 도 14의 제 2 이온 농도(1422)의 일례이다.
도 22는 도 21의 NOx 센서(2100)에 접속된 센서 관리 장치(2004)를 포함하는 NOx 측정 시스템(2200)의 개략적인 기능도이다. NOx 측정 시스템(2200)은 하드웨어, 소프트웨어 및 펌웨어의 임의 조합을 이용하여 구현될 수 있다. 도 22를 참조하여 설명되는 기능 블록의 다양한 기능 및 동작은 임의 개수의 장치, 회로 또는 소자로 구현될 수 있다. 임의의 기능 블록은 단일 장치 내에 통합될 수 있으며 블록의 기능은 몇 개의 장치, 회로 및 소자 상에 분배될 수 있다. 기능 블록의 일부는 일부 경우에 생략될 수 있다. 예를 들면, 이들 장치의 동작이 계수기에 의한 출력 펄스의 계수에 고유하기 때문에 플립-플롭은 생략될 수 있다. 따라서, 도 22는 측정 시스템 내에 접속된 바와 같이 센서(2100)의 구현예의 다이어그램이다. 도 22를 참조하여 설명되는 다양한 소자, 장치, 값, 신호, 및 기능은 특정한 구조, 사용, 환경 및 특정한 측정 시스템과 센서의 요건에 따라서 센서(1400, 2002, 2100)의 다른 구현예를 이용한 다른 측정 시스템에 대하여 다를 수 있다.
히스테리시스를 갖는 제 1 비교기(2202)는 산소 전기화학 셀(2006) 양단의 산소 측정 셀 전압(2204)을 기준 전압(2206)과 연속적으로 비교한다. 본 예에서, 기준 전압(2206)은 -450 mV이다. 산소 측정 셀 전압(2204)이 하한 임계값 미만으로 강하하는 경우, 제 1 비교기 출력(2207)은 로직 하이 신호이며, 산소 측정 셀 전압(2020)이 상한 임계값 이상으로 상승하는 경우, 제 1 비교기 출력은 로직 로 신호이다. 상한 및 하한 임계값은 비교기의 히스테리시스에 의해 결정되며 측정 챔버(2012) 내의 산소 농도 임계값에 대응하도록 선택된다. 임계값은 또한 산소 전기화학 셀의 내부 저항으로 인한 전압의 기여를 고려한다. 따라서, 도 22의 시스템 내의 제 1 비교기(2202)의 히스테리시스는 도 17을 참조하여 설명되는 시스템(1700)의 제 1 비교기(1702)의 히스테리시스보다도 크다.
제 1 비교기 출력(2207)은 제 1 플립-플롭(FF1)(2208)에 의해 처리되어 클록 입력(2210)은 제 1 플립-플롭(2208)의 FF1 출력(2212)을 게이팅한다. FF1 출력(2212)는 제 1의 일정한 펌프 전류(2218)와 제 2의 일정한 펌프 전류(2220) 사이에서 산소 전기화학 셀(2006)을 통하여 산소 셀 펌프 전류(2216)를 안내하는 제 1 전류 스위치(2214)를 제어한다. 본 예에서, 제 1 및 제 2의 일정한 펌프 전류는 크기는 같지만 반대의 극성을 갖는다.
따라서, 제 1 비교기 출력은 하한 임계값(-1/2 히스테리시스) 미만으로 떨어진 후, 제 1 플립-플롭 출력(2212)은 다음 클록 사이클에서 하이로 설정된다. 결과적인 하이 FF1 출력은 제 1 전류 스위치(2214)가 산소 전기화학 셀(2006)을 통하여 일정한 플러스 펌프 전류(2218)를 안내하도록 설정한다. 이 상태에서, 전기화학 셀(2006)은 산소 전극(2114)으로부터 산소 전기화학 셀(2006)을 통하여 그리고 주변 공기로부터 측정 챔버(2012) 내로 산소를 펌핑한다. 제 1 전류 스위치(2214)는 FF1 출력(2212)에 의해 스위칭될 때까지 이 위치에 유지된다. 산소 측정 셀 전압(2204)이 상한 임계값(+1/2 히스테리시스)에 도달하는 경우, 제 1 비교기(2202)는 로직 로 상태인 제 1 비교기 출력 신호를 발생시킨다. 다음 클록 사이클에서, 제 1 플립-플롭(2208) 출력은 로직 로 신호로 변경되어 제 1 전류 스위치(2214)를 마이너스의 일정한 펌프 전류(2220)로 스위칭한다. 이 상태에서, 산소는 측정 챔버(2012)로부터 주변 공기로 배출된다. 도 22는 제 1 스위치(2214)에 의해 안내되는 플러스 전류원(2226) 및 마이너스 전류원(2228)을 포함하는 스위칭 전류원(2224)을 예시한다. 임의의 많은 기술 및 회로가 이용되어 제 1의 일정한 펌프 전류(2218)로부터 제 2의 일정한 펌프 전류(2220)로 스위칭하는 스위칭 전류원(2224)의 기능을 달성할 수 있다. 따라서, 본 예에서, 스위칭 전류원(2224)은 도 14에서 언급된 1차 펌프 전류(1412)를 제공한다.
히스테리시스를 갖는 제 2 비교기(2230)는 산소 셀 전압(2024)(제 1 출력 신호(1416))의 Nernst 전압 부분(2233)과 Pt/Rh 출력 전압(2234)(제 2 출력 신호(1418)) 간의 관계에 기초하여 출력(2232)을 발생시킨다. 따라서, 제 2 비교기(2230)는 산소 전기화학 셀(2006)에 의해 생성된 Nernst 전압과 본 예에서의 셀 양단의 비 전체 전압을 비교한다. Nernst 전압 추출기(2235)는 산소 전기화학 셀(2006)의 전체 전압으로부터 Nernst 전압을 추출한다. 따라서, Nernst 전압 추출기(2235)에 의해 추출된 Nernst 전압은 도 14를 참조하여 설명된 제 1 출력 신호(1416)의 일례이다. Nernst 전압 추출기(2035)의 적절한 구현의 일례는 펌프 전류의 극성 반전 직전과 반전 직후에 O2 기준 전압을 샘플링하는 2중 샘플 회로를 포함한다. 2개의 샘플 포인트 간의 차는 셀의 내부 저항을 통한 펌프 전류에 의해 초래되는 전압보다도 2배 크다.
Nernst 전압 추출기(2235)는 임의의 많은 기술을 이용하여 구현될 수 있다. 적절한 구현의 일례는 샘플 및 유지 회로를 사용하는 것을 포함한다. 샘플 및 유지 회로는 전형적으로 아날로그-디지털 변환기의 일부로서 구현되고 커패시터, 전자 스위치, 및 연산 증폭기와 같은 저 출력 임피던스 증폭기로 구성된다. 짧은 샘플 펄스는 스위치를 온으로 스위칭하는데, 이는 커패시터를 증폭기 출력에 접속한다. 이것은 커패시터를 출력 전압으로 충전한다. 펄스가 사라지는 경우, 커패시터는 A/D 변환에 의해 판독되는 전하를 유지한다. Nernst 추출기에서, 샘플 및 유지 커패시터는 전류의 극성이 반전된 후 매우 짧은 펄스로 충전(샘플링)된다. 이때, Nernst 전압은 시간이 변화되지 않았다. 셀에서의 전체 전압은 Nernst 전압(Vnernst)과 펌프 전류(Ipump) 및 셀(Vicell)의 내부 임피던스에 의한 전압의 합이다. 오옴 법칙에 의해, Vicell은 Ipump *Ricell이며, 식 중 Ricell은 셀 임피던스이다. 예로서: 전류가 플러스에서 마이너스로 스위칭되면, 결과적으로, 전체 셀 출력 전압은 증가하여 상한 임계 전에 도달한다. 상한 임계 전압과 스위치 직후 샘플링된 전압 간의 차를 측정하는 것은 Ipump의 크기가 알려져 있고 고정되어 있기 때문에 Vicell 따라서 Ricell을 계산하는 정보를 제공한다. 스위치(Vupperh) 전의 셀에서의 전압은 Vnernstupper + Ipump *Ricell이다. 극성 반전 직후 샘플링 후의 커패시터에서의 전압은 Vsample = Vnernst - Ipump *Ricell 가 되는데, Nernst 전압(Vnernst)이 전류의 극성 반전과 새 로운 셀 전압의 샘플링 사이에 매우 짧은 시간격(마이크로초)이 변화하는 시간이 없었기 때문이다. 따라서, Vupperh - Vsample = 2*Ipump *Ricell이 된다. 이 감산은 디지털 방식으로 행해질 필요는 없지만, 이러한 실행은 일부 상황에서 바람직할 수 있다. 예를 들면, 전압 분배기를 사용하여, 이 차를 2로 나눗샘하면 Vicell = Ipump *Ricell이므로 Vicell이 된다. 셀 전압의 비교를 위한 새로운 하한 임계값은 Vlowerh = Vnernstlower - Vicell이다. Ipump가 일정하기 때문에, Vicell은 온도 종속적인 임피던스(Ricell)에 따라서만 변화된다. 따라서, Vicell은 또한 온도 조절에 사용될 수 있다.
Vnernstupper 및 Vnernstlower은 특정 구현예 및 요건에 따라 선택되는 설계 파라미터이다. 이 파라미터는 일부 환경에서 동일한 값일 수 있다. 이 전압 계산에서의 가산 및 감산은 디지털 방식으로, 또는 연산 증폭기를 사용한 차동 및 합산 증폭기와 같은 단순한 아날로그 회로를 이용하여 보다 간단하게 행해질 수 있다.
상술한 바와 같이, Pt/Rh 전극(2116)은 NOx를 N2와 O2로 환원시켜 Pt/Rh 전극(2116) 부근의 국부적인 산소 농도에 기초하여 출력(2024)을 발생시킨다. NOx가 존재하는 경우, 국부적인 산소 농도가 증가하고 공기 전극(2110)과 Pt/Rh 전극(2116) 간의 Nernst 전압은 공기 전극(2110)과 산소 전기화학 셀(2006)의 산소 전극(2114) 간의 Nernst 전압보다도 낮다. 제 2 비교기(2230)는 산소 전기화학 셀(2006)의 Nernst 전압(제 1 출력 신호)과 질소 감지 셀 출력(2024)(제 2 출력 신 호)을 연속적으로 비교한다. 내부 저항으로부터의 기여가 작지만, 질소 감지 셀에 이용되는 전류는 주 산소 셀 펌프 전류보다도 크기가 약간 낮고, 따라서 전압 변화는 Nernst 전압에 비해서 상당히 작다. 결과적으로 Nernst 전압 추출은 대부분의 환경에서 질소 감지 셀에 필수적인 것은 아니다. 질소 감지 셀은 Vicell을 고려한 고정된 상한 및 하한 임계값으로 동작할 수 있다. 온도(및 그에 따라서 Ricell)가 통상적으로 조절되기 때문에, Ricell은 크게 변화하지 않는다.
상당한 레벨의 NOx가 존재하고 산소 전기화학 셀 전압(2020)이 하한 임계값 미만인 경우(예컨대, 그 차는 임계값 크기 이상의 크기를 가짐), 제 2 비교기(2230)는 로직 로 레벨인 제 2 비교기 출력 신호(2232)를 발생시킨다. 다음 클록 사이클에서, 제 2 플립-플롭(2236)은 또한 로직 로 레벨인 FF2 출력(1740)을 발생시킨다. FF2 로 신호는 제 2 전류 스위치(2238)가 제 1의 일정한 질소 셀 전류(2244)(제 2의 일정한 2차 펌프 전류)를 통하여 질소 감지 셀 전류(2022)(2차 펌프 전류(1414))를 안내하도록 설정한다. 따라서, 제 1의 일정한 2차 펌프 전류는 도 22의 예에서 공기 전극(2110)으로부터 Pt/Rh 전극(2116)으로 흐르는 비교적 적은 마이너스 펌프 전류이다. 제 1의 일정한 2차 펌프 전류가 인가되는 경우, 질소 감지 셀(2008)을 형성하는 전기화학 셀은 펌프 셀로 기능하여 측정 챔버(2012)로부터 질소 감지 셀(2008)을 통하여 주변 공기(2014)로 산소를 펌핑한다. 따라서, 질소 감지 셀(2008)을 통한 산소 흐름은 전류 흐름(2042)의 방향과 반대이다. 산소가 임계값 미만인 국부적인 산소 농도를 설정하도록 적당히 고갈되는 경우, 제 2 비교기(2230)는 로직 하이 레벨인 제 2 비교기 신호(2232)를 발생시킨다. 따라서, 비교기(2230)는 질소 감지 셀 전압 및 산소 측정 셀 양단의 전압의 Nernst 부분(2233)이 동일한 전압(또는 히스테리시스로 인한 거의 동일한 전압)이며 하이 로직 신호를 발생시킨다. 다음 클록 사이클에서, 제 2 플립-플롭(2236)은 로직 하이 신호를 제 2 스위치(2238)에 제공하여 질소 감지 셀 전류(2242)(2차 펌프 전류(1414))를 제 1의 일정한 질소 감지 셀 전류(2244)(제 1의 일정한 2차 펌프 전류)로부터 제 2의 일정한 질소 감지 셀 전류(2246)(제 2의 일정한 2차 펌프 전류)로 스위칭한다. 따라서, 질소 감지 셀 전류(2242)는 일정한 마이너스 질소 감지 셀 전류(2244)로부터 일정한 플러스 질소 감지 셀 전류(2246)로 스위칭하며, 여기서 전류(2244, 2246)는 산소 전기화학 셀(2006)을 통한 펌프 전류(2218, 2220)에 비해서 비교적 적다. 질소 감지 셀(2008)을 통한 비교적 적은 플러스 전류는 공기(2014)로부터 측정 챔버(2012) 내로 산소를 펌핑한다. Pt/Rh 전극(2116) 부근의 국부적인 산소 농도는 하한 임계값에 도달하여 프로세스가 반복할 때까지 플러스의 2차 펌프 전류 및 임의의 촉매 작용으로 환원된 NOx의 기여로 인해 계속 증가한다. 도 22는 제 2 스위치(2238)에 의해 안내되는 플러스 전류원(2250) 및 마이너스 전류원(2252)을 포함하는 스위칭 전류원(2248)을 예시한다. 임의의 많은 기술 및 회로가 사용되어 제 1의 일정한 질소 감지 셀 전류(2244)로부터 제 2의 일정한 질소 감지 셀 전류(2246)로 스위칭하는 스위칭 전류원(2246)의 기능을 달성할 수 있다. 따라서, 스위칭 전류원(2248)은 도 14에서 언급된 2차 펌프 전류(1414)를 제공한다.
제 2 플립-플롭 출력 신호(2240)의 NOx 펄스 밀도 출력은 측정 챔버(2012) 내의 NOx의 농도를 나타낸다. 어떠한 NOx도 존재하는 않는 경우, 신호(2240)의 로직 하이(1s) 및 로직 로(0s)의 수는 주어진 시간 주기 동안 동일하다. 이것은 Pt/Rh 전극(2116)에 의해 생성되는 임의의 부가적인 산소를 배출할 필요가 없기 때문에 발생한다. NOx 농도가 증가함에 따라, 더 많은 산소가 촉매 작용으로 생성되어 배출되고 1s의 수는 0s가 주어진 시간 주기 이상이면 그 수에 대하여 증가한다. 따라서, NOx 펄스 밀도 출력(2240)의 듀티 사이클은 NOx의 측정치이다.
다양한 신호 극성, 크기, 로직 레벨 및 주파수가 특정한 구현예에 따라 선택된다. 적절한 값의 몇 가지 예는 다음을 포함한다. 적절한 2차 펌프 전류의 일례는 1차 펌프 전류보다도 낮은 2 내지 3배 크기인 2차 펌프 전류 크기를 포함한다. 이와 같은 선택은 측정 챔버(2012) 내의 전형적인 NOx 함유량이 산소 함유량보다도 상당히 낮기 때문에 종종 적합하다. 제 1 비교기(2202)의 히스테리시스는 비교기(2202)에 의해 제어되는 회로의 발진이 50 내지 100 Hz 정도가 되도록 선택된다. 제 2 비교기(2230)의 히스테리시스는 제 2 비교기(2230)에 의해 제어되는 NOx 회로의 발진이 1 내지 2 킬로헤르츠(1-2 KHz) 정도가 되도록 선택된다. 상술한 바와 같이, 제 2 비교기(2230)의 히스테리시스는 셀의 저항으로 인해 Pt/Rh 셀 양단의 전압(VR)을 보상하도록 선택된다. Ipump2가 Ipump1보다도 크기가 약간 작기 때문에, VR은 또한 훨씬 더 작다. 이 기여는 Nernst 전압 비교의 상한 및 하한 임계값이 비교의 상한 임계값에 Rcell *Ipump2를 부가하여 하한 임계값으로부터 Rcell *Ipump2를 감산함 으로써 조정될 수 있기에 충분히 작다. Rcell이 약 80 오옴이고 Ipump2가 10 마이크로-암페어 정도인 상태에서, 조정은 대략 0.8 mV이며, 따라서 비교적 작다.
따라서, 측정 시스템(2200)은 배기 가스(2010)의 NOx 함유량을 측정한다. 측정된 가스(2108)는 단일 확산 갭(2106)을 통하여 측정 챔버(2012) 내로 확산된다. 제 1 전기화학 시스템은 제 2 전기화학 시스템이 NOx를 측정하기 위해 병렬로 동작하는 동안 측정 챔버(2012) 내의 산소를 안내 및 측정한다. 제 2 전기화학 시스템은 NOx를 N2와 O2로 환원시키고 제 1 전기화학 시스템에 의해 관리되는 산소의 흐름과 나란히 측정 챔버(2012) 내부 및 외부로의 O2의 흐름을 관리한다. 상술한 바와 같이, 이 메커니즘은 종래의 NOx 센서에 비해서 몇 가지 이점을 제공한다.
제 1 비교기(2202) 및 플립-플롭(2208)은 측정 챔버 내의 제 1 이온 농도에 따라 제 1 전기화학 셀 시스템에 의해 발생되는 제 1 출력 신호를 검출하여 제 1 스위칭 전류원(2224)을 제어하도록 구성되는 제 1 검출 회로(2256)의 일례이다. 제 1 스위칭 전류원(2224)은 제 1의 일정한 1차 펌프 전류와 제 2의 일정한 1차 펌프 전류 사이에서 제 1 전기화학 셀 시스템을 통하여 1차 펌프 전류를 안내하여 제 1 이온 흐름을 측정 챔버 내로 그리고 측정 챔버로부터 외부로 안내하도록 구성된다. 제 1 전기화학 시스템은 단일 셀 출력을 생성하는 본 예에서의 단일 전기화학 셀이다. 제 2 비교기(2230) 및 제 2 플립-플롭(2236)은 측정 챔버 내의 제 2 이온 농도에 따라 제 2 전기화학 셀 시스템에 의해 발생되는 제 2 출력 신호를 검출하도록 구성된 제 2 검출 회로(2258)의 일례이다. 따라서, 제 2 검출 회로(2258)는 제 1 출력 신호와 제 2 출력 신호 간의 관계에 기초하여 제어 신호(2240)를 발생시키도록 구성된다. 제어 신호(2240)에 응답하여, 제 2 스위칭 전류원(2248)은 제 1의 일정한 2차 펌프 전류와 제 2의 일정한 2차 펌프 전류 사이에서 제 2 전기화학 셀 시스템을 통하여 2차 펌프 전류를 안내하여 제 2 이온 흐름을 측정 챔버 내로 그리고 측정 챔버로부터 외부로 안내하도록 구성된다.
도 23은 제 1 전기화학 셀 시스템 및 제 2 전기화학 셀 시스템을 갖는 센서를 관리하는 방법의 플로차트이다. 본 방법이 하드웨어, 소프트웨어, 및/또는 펌웨어의 임의 조합에 의해 행해질 수 있지만, 본 방법은 본 예에서 센서 관리 장치에서 행해진다.
단계 2302에서, 제 1 출력 신호가 검출된다. 제 1 출력 신호는 측정 챔버 내의 제 1 이온 농도에 따라 제 1 전기화학 셀 시스템에 의해 발생된다. 제 1 비교기는 제 1 출력 신호를 수신하고 이를 기준 전압과 비교하여 제 1 스위칭 전류원을 제어하는 제어 신호를 발생시킨다. 제 1 전기화학 셀 시스템이 개별 펌프 셀 및 측정 셀을 포함하는 경우, 제 1 출력 신호는 측정 셀에 의해 발생된다. 제 1 출력 신호는 단일 전기화학 셀에 의해 발생되는 단일 셀 출력 전압이다.
단계 2304에서, 1차 펌프 전류는 제 1의 일정한 1차 펌프 전류와 제 2의 일정한 1차 펌프 전류 사이에서 제 1 전기화학 셀 시스템을 통하여 안내된다. 제 1 스위칭 전류원은 제 1 비교기에 의해 생성 및 제 1 플립-플롭에 의해 "클로킹"된 제어 신호에 응답하여 전류를 안내한다. 변화하는 전류는 제 1 이온 흐름을 측정 챔버 내로 그리고 측정 챔버로부터 외부로 안내한다. 제 1 전기화학 셀 시스템이 개별 펌프 셀 및 측정 셀을 포함하는 경우, 1차 펌프 전류는 펌프 셀을 통한 전류이다. 제 1 전기화학 셀 시스템이 단일 전기화학 셀을 포함하는 경우, 1차 펌프 전류는 단일 전기화학 셀을 통한 전류이다.
단계 2306에서, 제 2 출력 신호가 검출된다. 제 2 출력 신호는 측정 챔버 내의 제 2 이온 농도에 따라 제 2 전기화학 셀 시스템에 의해 발생된다. 제 2 비교기는 제 2 출력 신호를 수신하고 이를 제 1 출력 신호 또는 제 1 출력 신호의 Nernst 전압 부분 중 어느 하나와 비교하여 제 2 스위칭 전류원을 제어하는 제어 신호를 발생시킨다. 제 1 전기화학 셀 시스템이 개별 펌프 셀 및 측정 셀을 포함하는 경우, 제 2 출력 신호는 제 1 출력 신호와 비교된다. 제 1 전기화학 셀 시스템이 단일 전기화학 셀을 포함하는 경우, 제 2 출력 신호는 Nernst 전압 추출기에 의해 제공되는 제 1 출력 신호의 Nernst 부분과 비교된다.
단계 2308에서, 2차 펌프 전류는 제 1 출력 신호와 제 2 출력 신호 간의 관계에 기초하여 제 2 전기화학 셀 시스템을 통하여 안내된다. 2차 펌프 전류는 제 1의 일정한 2차 펌프 전류와 제 2의 일정한 2차 펌프 전류 사이에서 변화된다. 제 2 스위칭 전류원은 제 2 비교기에 의해 생성 및 제 2 플립-플롭에 의해 "클로킹"된 제어 신호에 응답하여 전류를 안내한다. 변화하는 전류는 제 2 이온 흐름을 측정 챔버 내로 그리고 측정 챔버로부터 외부로 안내한다.
단계 2310에서, 화합물의 이온 농도가 결정된다. 컴퓨팅 장치는 2차 펌프 전류에 따른 파형을 평가하여 화합물의 이온 중 하나의 농도를 결정한다. 제 2 전기화학 셀 시스템은 화합물을 측정 챔버 내부 및 외부로 펌핑되는 원소의 이온으로 그리고 농도가 계산되는 또 다른 이온으로 환원시킨다. NOx 화합물에서, Pt/Rh 전극은 NOx를 전극 부근의 O 이온의 국부적인 농도를 형성하는 N 및 O 이온으로 환원시킨다. 따라서, 펌핑된 이온(O)은 측정 챔버 내의 제 1 영역에 제 1 농도를 그리고 측정 챔버 내의 제 2 영역에 제 2 농도를 가지며, 여기서 제 2 영역은 제 1 영역보다 전극에 더 근접해 있다. 이온의 국부적인 농도는 제 2 스위칭 전류원을 제어하는 제어 신호(1740)를 평가함으로써 결정된다. 그렇지만, 제어 신호(또는 2차 펌프 전류)의 듀티 사이클을 나타내는 임의의 신호가 평가되어 농도를 결정할 수 있다. 예를 들면, 2차 펌프 전류는 일부 경우에 직접 평가될 수 있다. 또한, 제 2 비교기의 출력이 평가될 수 있다.
도 24는 제 1 전기화학 셀 시스템 및 제 2 전기화학 셀 시스템을 포함하는 센서 내의 전류를 관리하는 방법의 플로 차트이다.
단계 2402에서, 1차 펌프 전류는 제 1 출력 신호가 상한 임계값에 도달할 때까지 제 1의 일정한 크기로 플러스 방향으로 안내된다. 예를 들면, 비교기 출력이 (플립-플롭을 통하여) 스위칭 전류원이 방향을 변경시키도록 하는 어느 시간에서 제 1 출력 전압이 상한 임계값에 도달했음을 제 1 비교기가 검출할 때까지 스위칭 전류원은 플러스의 1차 펌프 전류를 유지한다.
단계 2404에서, 1차 펌프 전류는 제 1 출력 신호가 하한 임계값에 도달할 때까지 제 1의 일정한 크기로 마이너스 방향으로 안내된다. 비교기 출력이 (플립-플롭을 통하여) 스위칭 전류원이 다시 방향 및 펌프 전류를 플러스 방향과 제 1 크기로 변경시키도록 하는 어느 시간에서 제 1 출력 전압이 하한 임계값에 도달했음을 제 1 비교기가 검출할 때까지 스위칭 전류원은 마이너스의 1차 펌프 전류를 유지한다. 단계 2402 및 2404가 계속 반복한다.
단계 2406에서, 1차 펌프 전류는 제 2 출력 신호와 제 1 출력 신호 간의 제 1 차분이 제 1 차분 임계값에 도달할 때까지 제 2의 일정한 크기로 플러스 방향으로 안내된다. 제 2 비교기가 제 2 출력 신호와 제 1 출력 신호 간의 차가 차분 임계값에 도달했음을 제 2 비교기가 검출할 때까지 제 2 스위칭 전류원은 플러스의 2차 펌프 전류를 유지한다. 제 1 전기화학 셀 시스템이 단일 전기화학 셀을 포함하는 경우, 제 1 신호의 Nernst 전압 부분이 추출되어 제 2 출력 전압과 비교된다. 제 1 차분 임계값에 도달하는 경우, 제 2 비교기 출력은 (제 2 플립-플롭을 통하여) 제 2 스위칭 전류원이 방향을 변경시키도록 한다.
단계 2408에서, 2차 펌프 전류는 제 2 출력 신호와 제 1 출력 신호 간의 제 2 차분이 제 2 차분 임계값에 도달할 때까지 제 2의 일정한 크기로 마이너스 방향으로 안내된다. 제 2 비교기가 제 2 출력 신호와 제 1 출력 신호 간의 차가 제 2 차분 임계값에 도달했음을 제 2 비교기가 검출할 때까지 제 2 스위칭 전류원은 마이너스의 2차 펌프 전류를 유지한다. 제 1 전기화학 셀 시스템이 단일 전기화학 셀을 포함하는 경우, 제 1 신호의 Nernst 전압 부분이 추출되어 제 2 출력 전압과 비교된다. 제 2 차분 임계값에 도달하는 경우, 제 2 비교기 출력은 (제 2 플립-플롭을 통하여) 제 2 스위칭 전류원이 다시 방향을 변경시키도록 한다. 단계 2402, 2404, 2406, 및 2408의 순서는 동작하는 동안 변경될 수 있다. 예를 들면, 1차 펌프 전류의 발진 주파수가 2차 펌프 전류의 주파수보다도 훨씬 더 낮기 때문에, 단 계 2406 및 2408은 단계 2404가 실행되기 전에 몇 번 반복할 수 있다.
도 25는 밀봉된 챔버 센서(2502)를 포함하는 센서 시스템(2500)의 블록도이다. 밀봉된 챔버 센서(2502)는 전기화학 측정 셀(2504) 및 전기화학 보상 셀(2506)을 포함하며, 여기서 셀(2504, 2506) 모두는 밀봉된 챔버(2508)에 접속된다. 측정된 가스 또는 액체와 같은 측정된 유체(2510)는 측정 개구부(2512)를 통하여 측정 챔버(2514) 내로 수용된다. 측정 개구부(2512)는 확산 갭, 확산 층, 또는 측정된 유체(2508)가 측정 개구부(1514)에 들어가도록 하는 기타 다른 오리피스 막일 수 있다. 전기화학 측정 셀(2504)은 상술한 전기화학 셀(1006)의 동작의 설명에 따라 동작한다. 그렇지만, 밀봉된 챔버 센서(2500)는 먼지, 물, 및 기타 다른 환경적 요소로부터 오염을 초래하는 역작용에 영향을 덜 받는다. 전기화학 보상 셀(2506)은 이들 오염물에의 직접적인 노출로부터 전기화학 측정 셀(2504)을 분리한다.
측정 셀 전류(2516)는 전기화학 측정 셀(2504)을 통하여 안내되어 밀봉된 챔버(2510)와 측정 챔버(2512) 사이에서 이온을 이동시킨다. 따라서, 제 1 이온 흐름(2518)은 측정 셀 전류(2516)에 대응한다. 전기화학 보상 셀(2506)을 통하여 안내되는 보상 셀 전류(2520)는 센서(2500)의 특정한 구현예에 따라서 주변 액체, 주변 공기, 배기 가스 또는 다른 가스나 액체일 수 있는 외부 유체(2522)와 밀봉된 챔버(2508) 사이에서 이온을 이동시킨다. 외부 유체(2522)는 외부 유체(2522)로부터 전기화학 보상 셀(2506)을 통하여 밀봉된 챔버(2510) 내로의 충분한 이온 흐름을 허용하는 적당한 이온 농도를 갖는다. 따라서, 제 2 이온 흐름(2524)은 보상 셀 전류(2520)에 대응한다.
밀봉된 공기 챔버(2510)에 출입하는 모든 이온은 전기화학 셀(2504, 2506) 중 하나를 통하여 출입한다. 따라서, 밀봉된 챔버(2510)는 센서에 밀봉되어 어떠한 이온도 전기화학 셀(2504, 2506) 중 하나를 통과하지 않고서 밀봉된 챔버(2510)에 출입하지 않다.
센서 관리 장치(2526)는 전류(2516, 2520)를 관리하고 전기화학 측정 셀(2504) 양단의 셀 전압(VCELL)(2528)을 측정하여 이온 농도를 결정하는 하드웨어, 소프트웨어 및/또는 펌웨어의 임의 조합을 포함한다. 따라서, 센서 관리 장치(2526)는 이 센서 관리 장치(2526)가 또한 전기화학 보상 셀(2506)을 통하여 적절한 보상 전류(2520)를 안내하는 것을 제외하면 상술한 바와 같이 동작한다. 보상 셀 전류(2520)는 전기화학 측정 셀(2504)을 통하여 밀봉된 챔버(2510) 내로 흐르는 이온의 양과 동일한 양의 이온이 전기화학 보상 셀(2506)을 통하여 밀봉된 챔버(2510)의 외부로 흐르도록 하고 전기화학 측정 셀(2504)을 통하여 밀봉된 챔버(2510)의 외부로 흐르는 이온의 양과 동일한 수의 이온이 전기화학 보상 셀(2506)을 통하여 밀봉된 챔버(2510) 내로 흐르도록 하는 이온 흐름(2524)을 야기시킨다. 2개의 셀(2504, 2506)의 구조가 동일한 일정한 상황에서, 전류(2516, 2520)는 크기는 같지만 극성은 반대이다. 센서 시스템(2500)은 하드웨어, 소프트웨어 및 펌웨어의 임의 조합을 이용하여 구현될 수 있다. 본원에서 설명되는 기능 블록의 다양한 기능 및 동작은 임의 개수의 장치, 회로 또는 소자로 구현될 수 있다. 임의의 기능 블록은 단일 장치 내에 통합될 수 있으며 블록의 기능은 몇 개의 장치, 회로 및 소자 상에 분배될 수 있다.
도 26은 배기 가스를 측정하는 밀봉된 공기 챔버를 포함하는 전기화학 센서(2600)의 단면의 블록이다. 따라서, 센서(2600)는 도 25의 센서(2502)의 일례이며, 여기서 측정된 유체 및 외부 유체는 가스이다. 도 26의 예에서, 센서(2600)는 내연 기관의 배기 시스템 내의 산소 농도를 측정하는 광대역 단일 측정 셀 센서이다. 센서(2600)는 또한 다른 시스템 내에서 그리고 일부 상황에서 다른 용도로 사용될 수 있다.
센서(2600)는 단일의 적층된 지르코늄 이산화물(ZrO2) 세라믹 층(2604)을 포함한다. ZrO2 층(2604)과 챔버 하우징(2606) 사이의 공간은 측정 챔버(2514)를 형성한다. 챔버 하우징(2606) 내의 홀(2512)은 측정된 가스(2608)를 수용하는 확산 갭을 형성한다. 따라서 측정된 배기 가스(2608)는 측정된 유체(2508)의 일례이다. 홀(2512)은 확산 갭, 확산 층, 또는 측정 챔버(2514) 내의 다른 개구부일 수 있다.
단일 백금 전극(공기 전극)(2610)은 공기 전극(2510)이 측정 챔버(2514)와 대향하여 밀봉된 공기 챔버(2602) 내의 밀봉된 공기(2612)에 노출되도록 ZrO2 층(2604)에 배치된다. 밀봉된 공기 챔버(2602)는 밀봉된 챔버(2510)의 일례이다.
제 2 백금 전극(측정 전극)(2614)은 공기 전극(2610)과 대향하는 ZrO2 층(2604)에 배치되고 측정 챔버(2512) 내의 측정된 가스(2608)에 노출되어 공기 전극(2610) 및 ZrO2 층(2604)을 갖는 산소 전기화학 측정 셀(2616)을 형성한다. 제 3 백금 전극(2618)은 제 2 백금 전극(2614)과 동일한 측의 ZrO2 층(2604)에 배치되고 측정 챔버(2514)의 외부에 배치됨으로써 제 3 백금 전극(2618)은 적당한 양의 산소 이온을 포함하는 주변 공기, 배기 가스 또는 임의의 다른 가스일 수 있는 외부 가스(2620)에 노출된다. 제 3 백금 전극(2618)은 공기 전극(2610) 및 ZrO2 층(2604)을 갖는 보상 전기화학 셀(2622)을 형성하는 보상 전극(2618)이다. 따라서, 측정 전극(2614), 공기 전극(2610), 및 ZrO2 층(2604)은 전기화학 산소 측정 셀(2616)을 형성하고 보상 전극(2618), 공기 전극(2610), 및 ZrO2 층(2604)은 보상 전기화학 셀(2522)을 형성한다.
전기화학 산소 측정 셀(2616)을 통한 전류(측정 셀 전류)는 이 전류의 방향과 반대 방향으로 산소 이온을 이송한다. 측정 셀 전류와 반대 극성을 갖는 보상 전류는 보상 셀 전류와 반대의 방향으로 산소 이온을 이동시키는 보상 셀을 통하여 안내된다. 전류는 셀 중 하나에 의해 측정 챔버 내로 펌핑되는 산소 이온의 양이 다른 전기화학 셀에 의해 측정 챔버의 외부로 펌핑되는 산소 이온의 양과 동일하도록 선택된다. 예를 들면, 보상 전극(2618)이 측정 전극(2614)과 동일한 표면적을 갖고 전기화학 보상 셀(2622)이 전기화학 산소 측정 셀(2616)과 유사한 구조를 갖는 경우, 보상 전류는 측정 전류와 크기는 같지만, 극성은 반대이다.
상술한 바와 같이, 외부 가스(2620)는 전기화학 보상 셀(2622)이 전기화학 산소 측정 셀(2616)에 의해 밀봉된 공기 챔버(2602)로부터 고갈된 동일한 양의 산소 이온을 펌핑하는 것을 허용하도록 산소 이온의 양이 적당해야 한다. 따라서, 도 26의 예에서, 외부 가스(2620)는 이온 흐름(2524)을 공급하도록 충분한 산소 이온을 포함하는 적당한 물, 이산화탄소, 일산화탄소 또는 다른 화합물이 존재하는 배기 가스, 공기, 또는 다른 가스일 수 있다.
밀봉된 공기 챔버(2602)는 산소 고갈 또는 산소 농축 가스가 공기 전극(2610)에 노출될 가능성을 최소화 또는 해소하도록 적당한 양의 주변 가스를 보장한다. 단일 셀이 개구부를 통하여 주변 공기에 노출되는 센서에서, 개구부가 막히게 되고 공기 흐름이 제한될 수도 있다. 예를 들면, 오프-로드(off-road) 차량은 종종 흙, 먼지, 진흙 및 물에 노출되며, 센서는 이 오염물에 접하게 되고 때때로 잠길 수 있다. 따라서, 센서 개구부 내의 개구부는 막히게 될 수 있다. 그렇지만, 밀봉된 챔버를 갖는 센서는 공기 전극이 주변 공기에 직접 노출되는 것을 필요로 하지 않는다. 보상 셀은 개구부를 사용하지 않고서 외부 공기에 인터페이스를 제공한다.
명백히, 본 발명의 다른 실시예 및 변형예는 상술한 교시에 비추어 당업자에게 용이하게 상기될 것이다. 따라서, 본 발명은 상술한 명세서 및 첨부된 도면과 연관지어 볼 때 이와 같은 모든 실시예, 동등물, 및 변형예를 포함하는 다음의 청구항에 의해서만 제한된다.

Claims (60)

  1. 측정된 유체 내의 이온 농도에 따른 출력 신호를 측정 챔버 내에 제공하고 전기화학 셀을 통하여 흐르는 펌프 전류에 따라 상기 측정 챔버와 주변 유체 간의 이온 흐름을 조정하는 전기화학 셀과,
    상기 출력 신호에 따라 제 1 정전류와 제 2 정전류 간의 상기 펌프 전류를 변화시키는 전류 관리 유닛
    을 포함하는 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 펌프 전류의 구형파(square wave)의 펄스 폭 비에 기초하여 상기 이온 농도를 결정하도록 구성된 컴퓨팅 장치를 더 포함하는 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 전류 관리 유닛은 제 1 출력 신호 임계값이 검출될 때까지 제 1 방향으로 상기 제 1 정전류를 유지하고 제 2 출력 신호 임계값이 검출될 때까지 제 2 방향으로 상기 제 2 정전류를 유지함으로써 상기 펌프 전류를 변화시키도록 구성된 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 전류 관리 유닛은
    이온 센서 셀의 출력에 기초하여 비교기 출력 신호를 제공하도록 구성된 아날로그 비교 회로 - 상기 비교기 출력 신호는 상기 제 1 출력 신호 임계값이 도달되는 시기와 상기 제 2 출력 신호 임계값이 도달되는 시기를 나타냄 - 와,
    상기 아날로그 비교 회로와 상기 이온 센서 셀 사이에 접속되고, 상기 비교기 출력 신호에 응답하여 상기 펌프 전류의 방향을 변경시키도록 구성된 반전 증폭 회로
    를 포함하는 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 컴퓨팅 장치는
    상기 제 1 정전류에 대응하는 제 1 시간 주기를 측정하고,
    상기 제 2 정전류에 대응하는 제 2 시간 주기를 측정하고,
    상기 제 1 시간 주기와 상기 제 2 시간 주기에 기초하여 상기 펄스 폭 비를 결정하고,
    상기 펄스 폭 비를 상기 전기화학 셀에 대한 펄스 폭 비 함수와 비교하여 상기 이온 농도를 결정
    함으로써 상기 펄스 폭 비를 결정하도록 구성된 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 컴퓨팅 장치는 상기 비교 회로에 접속되고, 상기 컴퓨팅 장치는 상기 비교기 출력 신호에 기초하여 상기 제 1 시간 주기 및 상기 제 2 시간 주기를 측정하도록 구성된 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 이온 센서 셀은 가스 이온 센서 셀이며 상기 측정된 유체는 측정된 가스인 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 가스 이온 센서 셀은 산소 센서 셀이며 상기 주변 유체는 주변 공기인 장치.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 가스 이온 센서 셀은 기체 질소 산화물에 반응하는 질소 센서 셀인 장치.
  10. 전기화학 셀에 접속하도록 구성된 장치로서,
    측정된 유체 내의 이온 농도에 기초한 출력 신호를 측정 챔버 내에 수신하도록 구성되고, 상기 출력 신호에 따라 제 1 정전류와 제 2 정전류 사이에서 상기 전기화학 셀을 통하여 흐르는 펌프 전류를 변화시킴으로써 상기 전기화학 셀과 주변 유체 간의 이온 흐름을 조정하도록 구성된 전류 관리 유닛
    을 포함하는 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    이온 센서 셀은 가스 이온 센서 셀이며 상기 측정된 유체는 측정된 가스인 장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 가스 이온 센서 셀은 산소 센서 셀이며 상기 주변 유체는 주변 공기인 장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 가스 이온 센서 셀은 기체 질소 산화물에 반응하는 질소 센서 셀인 장치.
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 펌프 전류의 구형파의 펄스 폭 비에 기초하여 상기 측정된 유체의 이온 농도를 결정하도록 구성된 컴퓨팅 장치를 더 포함하는 장치.
  15. 제 10 항에 있어서,
    상기 전류 관리 유닛은 제 1 출력 신호 임계값이 검출될 때까지 제 1 방향으로 상기 제 1 정전류를 유지하고 제 2 출력 신호 임계값이 검출될 때까지 제 2 방향으로 상기 제 2 정전류를 유지함으로써 상기 펌프 전류를 변화시키도록 구성된 장치.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 컴퓨팅 장치는
    상기 제 1 정전류에 대응하는 제 1 시간 주기를 측정하고,
    상기 제 2 정전류에 대응하는 제 2 시간 주기를 측정하고,
    상기 제 1 시간 주기와 상기 제 2 시간 주기에 기초하여 상기 펄스 폭 비를 결정하고,
    상기 펄스 폭 비를 상기 측정 셀에 대한 펄스 폭 비 함수와 비교하여 상기 측정된 유체의 상기 이온 농도를 결정
    함으로써 상기 펄스 폭 비를 결정하도록 구성된 장치.
  17. 전기화학 셀에 접속하고 측정된 유체의 이온 농도에 기초한 출력 신호를 측정 챔버 내에 수신하도록 구성된 인터페이스와,
    상기 출력 신호에 따라, 제 1 정전류와 제 2 정전류 사이에서 상기 전기화학 셀을 통하여 흐르는 펌프 전류를 변화시킴으로써 상기 측정 챔버와 주변 유체 간의 이온 흐름을 조정하도록 구성된 전류 관리 유닛
    을 포함하는 장치.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 전류 관리 유닛은 상기 출력 신호가 제 1 출력 신호 임계값에 도달할 때까지 제 1 방향으로 상기 제 1 정전류를 유지하고 상기 출력 신호가 제 2 출력 신호 임계값에 도달할 때까지 제 2 방향으로 상기 제 2 정전류를 유지함으로써 상기 펌프 전류를 변화시키도록 구성된 장치로서,
    상기 펌프 전류의 변화로 인한 상기 펌프 전류의 구형파의 펄스 폭 비에 기초하여 상기 유체의 이온 농도를 결정하도록 구성된 컴퓨팅 장치를 더 포함하는 장치.
  19. 제 17 항에 있어서,
    이온 센서 셀은 가스 이온 센서 셀이며 상기 측정된 유체는 측정된 가스인 장치.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 가스 이온 센서 셀은 산소 센서 셀이며 상기 주변 유체는 주변 공기인 장치.
  21. 제 19 항에 있어서,
    상기 가스 이온 센서 셀은 기체 질소 산화물에 반응하는 질소 센서 셀인 장치.
  22. 주변 유체를 수용하도록 구성된 주변 개구부 및 측정된 유체를 수용하도록 구성된 측정 개구부를 갖는 측정 챔버, 및
    전기화학 셀을 통하여 흐르는 펌프 전류에 따라 상기 측정 챔버 내의 이온 농도를 변경시키도록 구성되고 상기 이온 농도에 따라 셀 전압을 제공하도록 구성된 전기화학 셀
    을 포함하는 센서와,
    상기 셀 전압에 따라 제 1 정전류와 제 2 정전류 사이에서 상기 펌프 전류를 변화시키도록 구성되고 상기 셀 전압에 기초하여 상기 이온 농도를 결정하도록 구성된 센서 측정 장치
    를 포함하는 이온 농도 측정 시스템.
  23. 측정 챔버 내의 제 1 이온 농도에 따라 제 1 출력 신호를 발생시키고 제 1의 일정한 1차 펌프 전류와 제 2의 일정한 1차 펌프 전류 사이에서 변화하는 1차 펌프 전류에 응답하여 제 1 이온 흐름을 상기 측정 챔버 내로 그리고 상기 측정 챔버의 외부로 변화시키도록 구성된 제 1 전기화학 셀 시스템과,
    상기 측정 챔버 내의 제 2 이온 농도에 따라 제 2 출력 신호를 발생시키고 제 1의 일정한 2차 펌프 전류와 제 2의 일정한 2차 펌프 전류 사이에서 변화하는 2 차 펌프 전류에 응답하여 제 2 이온 흐름을 상기 측정 챔버 내로 그리고 상기 측정 챔버의 외부로 변화시키도록 구성된 제 2 전기화학 셀 시스템 - 상기 2차 펌프 전류는 상기 제 1 출력 신호와 상기 제 2 출력 신호 간의 관계에 기초함 -
    을 포함하는 장치.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 제 1 이온 농도 및 상기 제 2 이온 농도는 원소의 이온의 농도, 즉 상기 측정 챔버의 제 1 영역 내의 제 1 이온 농도 및 상기 측정 챔버 내의 제 2 영역 내의 제 2 이온 농도인 장치.
  25. 제 24 항에 있어서,
    상기 제 2 전기화학 셀 시스템은 화합물을 상기 원소의 이온과 또 다른 원소의 적어도 하나의 다른 이온으로 환원시키도록 더 구성된 장치.
  26. 제 25 항에 있어서,
    상기 제 1 전기화학 셀 시스템은 산소 전기화학 셀을 포함하고 상기 제 2 전기화학 셀 시스템은 전극에서 질소 산화물을 산소 이온과 질소 이온으로 환원시키는 질소 감지 전기화학 셀을 포함하며, 상기 제 2 영역은 상기 제 1 영역보다도 전극에 더 인접한 장치.
  27. 제 23 항에 있어서,
    상기 제 1 전기화학 셀 시스템은 펌프 셀 및 측정 셀을 포함하는 장치.
  28. 제 23 항에 있어서,
    상기 제 1 전기화학 셀 시스템은 단일 전기화학 셀을 포함하는 장치.
  29. 제 23 항에 있어서,
    상기 제 1의 일정한 1차 펌프 전류와 상기 제 2의 일정한 1차 펌프 전류 사이에서 상기 1차 펌프 전류를 변화시키고 제 1의 일정한 2차 펌프 전류와 제 2의 일정한 2차 펌프 전류 사이에서 상기 2차 펌프 전류를 변화시키도록 구성된 센서 관리 장치를 더 포함하는 장치.
  30. 제 29 항에 있어서,
    상기 센서 관리 장치는
    상기 제 1 출력 신호가 상한 임계값에 도달할 때까지 제 1의 일정한 크기로 플러스 방향으로 상기 1차 펌프 전류를 안내하고,
    상기 제 1 출력 신호가 하한 임계값에 도달할 때까지 제 1의 일정한 크기로 마이너스 방향으로 상기 1차 펌프 전류를 안내하고,
    상기 제 2 출력 신호와 상기 제 1 출력 신호 간의 제 1 차분이 제 1 차분 임계값에 도달할 때까지 제 2의 일정한 크기로 플러스 방향으로 상기 2차 펌프 전류 를 안내하고,
    상기 제 2 출력 신호와 상기 제 1 출력 신호 간의 제 2 차분이 제 2 차분 임계값에 도달할 때까지 제 2의 일정한 크기로 마이너스 방향으로 상기 2차 펌프 전류를 안내
    하도록 구성된 장치.
  31. 제 30 항에 있어서,
    상기 센서 관리 장치는 또 다른 원소의 적어도 하나의 다른 이온의 이온 농도를 결정하도록 더 구성된 장치.
  32. 제 31 항에 있어서, 상기 센서 관리 장치는 상기 2차 펌프 전류에 따른 파형의 듀티 사이클에 기초하여 또 다른 원소의 적어도 하나의 다른 이온의 이온 농도를 결정하도록 더 구성된 장치.
  33. 제 32 항에 있어서,
    상기 제 1 전기화학 셀 시스템은 산소 전기화학 셀을 포함하고 상기 제 2 전기화학 시스템은 전극에서 질소 산화물을 산소 이온과 질소 이온으로 환원시키는 질소 감지 전기화학 셀을 포함하며,
    상기 제 2 영역은 상기 제 1 영역보다도 상기 전극에 더 인접하고,
    상기 센서 관리 장치는 상기 2차 펌프 전류의 듀티 사이클에 기초하여 질소 이온 농도를 결정하도록 더 구성된 장치.
  34. 제 1의 일정한 1차 펌프 전류와 제 2의 일정한 1차 펌프 전류 사이에서 제 1 전기화학 셀 시스템을 통하여 1차 펌프 전류를 안내하여 제 1 이온 흐름을 측정 챔버 내로 그리고 상기 측정 챔버의 외부로 안내하는 단계와,
    상기 측정 챔버 내의 제 1 이온 농도에 따라 상기 제 1 전기화학 셀 시스템에 의해 발생되는 제 1 출력 신호를 검출하는 단계와,
    상기 측정 챔버 내의 제 2 이온 농도에 따라 제 2 전기화학 셀 시스템에 의해 발생되는 제 2 출력 신호를 검출하는 단계와,
    상기 제 1 출력 신호와 상기 제 2 출력 신호 간의 관계에 기초하여, 제 1의 일정한 2차 펌프 전류와 제 2의 일정한 2차 펌프 전류 사이에서 상기 제 2 전기화학 셀 시스템을 통하여 2차 펌프 전류를 안내하여 제 2 이온 흐름을 상기 측정 챔버 내로 그리고 상기 측정 챔버의 외부로 안내하는 단계
    를 포함하는 방법.
  35. 제 34 항에 있어서,
    상기 제 1 이온 농도 및 상기 제 2 이온 농도는 원소의 이온의 농도, 즉 상기 측정 챔버의 제 1 영역 내의 제 1 이온 농도 및 상기 측정 챔버 내의 제 2 영역 내의 제 2 이온 농도인 방법.
  36. 제 35 항에 있어서,
    상기 제 2 이온 농도는 상기 제 2 전기화학 셀 시스템에서 원소의 이온과 또 다른 원소의 적어도 하나의 다른 이온으로 환원되는 화합물의 원소 이온의 이온 농도인 방법.
  37. 제 36 항에 있어서,
    상기 제 1 이온 농도는 일반적인 산소 이온 농도이고 상기 제 2 이온 농도는 상기 일반적인 산소 이온 농도보다도 전극에 더 인접한 국부적인 산소 이온 농도이며, 상기 제 2 전기화학 셀 시스템은 상기 전극에서 질소 산화물을 산소 이온과 질소 이온으로 환원시키는 상기 전극을 갖는 질소 감지 전기화학 셀을 포함하는 방법.
  38. 제 34 항에 있어서,
    상기 1차 전류를 안내하는 단계는 상기 제 1 전기화학 셀 시스템의 펌프 셀을 통하여 상기 1차 전류를 안내하는 단계를 포함하고 상기 제 1 출력 신호를 검출하는 단계는 상기 제 1 전기화학 셀 시스템의 측정 셀의 측정 셀 출력 신호를 검출하는 단계를 포함하는 방법.
  39. 제 34 항에 있어서,
    상기 1차 전류를 안내하는 단계는 단일 전기화학 셀을 통하여 상기 1차 전류 를 안내하는 단계를 포함하고 상기 제 1 출력 신호를 검출하는 단계는 상기 단일 전기화학 셀의 단일 셀 출력 신호를 검출하는 단계를 포함하는 방법.
  40. 제 34 항에 있어서,
    상기 제 1 출력 신호가 상한 임계값에 도달할 때까지 제 1의 일정한 크기로 플러스 방향으로 상기 1차 펌프 전류를 안내하는 단계와,
    상기 제 1 출력 신호가 하한 임계값에 도달할 때까지 제 1의 일정한 크기로 마이너스 방향으로 상기 1차 펌프 전류를 안내하는 단계와,
    상기 제 2 출력 신호와 상기 제 1 출력 신호 간의 제 1 차분이 제 1 차분 임계값에 도달할 때까지 제 2의 일정한 크기로 플러스 방향으로 상기 2차 펌프 전류를 안내하는 단계와,
    상기 제 2 출력 신호와 상기 제 1 출력 신호 간의 제 2 차분이 제 2 차분 임계값에 도달할 때까지 상기 제 2의 일정한 크기로 마이너스 방향으로 상기 2차 펌프 전류를 안내하는 단계
    를 더 포함하는 방법.
  41. 제 40 항에 있어서,
    또 다른 원소의 적어도 하나의 다른 이온의 이온 농도를 결정하는 단계를 더 포함하는 방법.
  42. 제 41 항에 있어서,
    상기 이온 농도를 결정하는 단계는 상기 2차 펌프 전류의 듀티 사이클에 기초하여 또 다른 원소의 적어도 하나의 다른 이온의 이온 농도를 결정하는 단계를 포함하는 방법.
  43. 제 1의 일정한 1차 펌프 전류와 제 2의 일정한 1차 펌프 전류 사이에서 제 1 전기화학 셀 시스템을 통하여 1차 펌프 전류를 안내하여 제 1 이온 흐름을 측정 챔버 내로 그리고 상기 측정 챔버의 외부로 안내하도록 구성된 제 1 스위칭 전류원과,
    상기 측정 챔버 내의 제 1 이온 농도에 따라 상기 제 1 전기화학 셀 시스템에 의해 발생되는 제 1 출력 신호를 검출하고 상기 제 1 스위칭 전류원을 제어하도록 구성된 제 1 검출 회로와,
    상기 측정 챔버 내의 제 2 이온 농도에 따라 제 2 전기화학 셀 시스템에 의해 발생되는 제 2 출력 신호를 검출하고 상기 제 1 출력 신호와 상기 제 2 출력 신호 간의 관계에 기초하여 제어 신호를 발생시키도록 구성된 제 2 검출 회로와,
    상기 제어 신호에 응답하여, 제 1의 일정한 2차 펌프 전류와 제 2의 일정한 2차 펌프 전류 사이에서 상기 제 2 전기화학 셀 시스템을 통하여 2차 펌프 전류를 안내하여 제 2 이온 흐름을 상기 측정 챔버 내로 그리고 상기 측정 챔버의 외부로 안내하도록 구성된 제 2 스위칭 전류원
    을 포함하는 센서 관리 장치.
  44. 제 43 항에 있어서,
    상기 제 1 이온 농도 및 상기 제 2 이온 농도는 원소의 이온의 농도, 즉 상기 측정 챔버의 제 1 영역 내의 제 1 이온 농도 및 상기 측정 챔버 내의 제 2 영역 내의 제 2 이온 농도인 센서 관리 장치.
  45. 제 44 항에 있어서,
    상기 제 2 이온 농도는 상기 제 2 전기화학 셀 시스템에서 원소의 이온과 또 다른 원소의 적어도 하나의 다른 이온으로 환원되는 화합물의 원소 이온의 이온 농도인 센서 관리 장치.
  46. 제 45 항에 있어서,
    상기 제 1 이온 농도는 일반적인 산소 이온 농도이고 상기 제 2 이온 농도는 상기 일반적인 산소 이온 농도보다도 전극에 더 인접한 국부적인 산소 이온 농도이며, 상기 제 2 전기화학 셀 시스템은 상기 전극에서 질소 산화물을 산소 이온과 질소 이온으로 환원시키는 상기 전극을 갖는 질소 감지 전기화학 셀을 포함하는 센서 관리 장치.
  47. 제 42 항에 있어서,
    상기 제 1 스위칭 전류원은 상기 제 1 전기화학 셀 시스템의 펌프 셀을 통하 여 상기 1차 전류를 안내하도록 구성되고 상기 제 1 검출 회로는 상기 제 1 전기화학 셀 시스템의 측정 셀의 측정 셀 출력 신호를 검출하도록 구성된 센서 관리 장치.
  48. 제 42 항에 있어서,
    상기 제 1 스위칭 전류원은 단일 전기화학 셀을 통하여 상기 1차 전류를 안내하도록 구성되고 상기 제 1 검출 회로는 상기 단일 전기화학 셀의 단일 셀 출력 신호를 검출하도록 구성된 센서 관리 장치.
  49. 제 43 항에 있어서,
    상기 제 1 검출 회로는 상기 제 1 출력 신호를 기준 전압과 비교하고 상기 제 1 출력 신호가 상한 임계값에 도달하는 시기와 제 1 출력 신호가 하한 임계값에 도달하는 시기를 나타내도록 구성된 제 1 비교기를 포함하고,
    상기 제 1 검출 회로에 응답하여, 상기 제 1 스위칭 전류원은 상기 제 1 출력 신호가 상한 임계값에 도달할 때까지 제 1의 일정한 크기로 플러스 방향으로 상기 1차 펌프 전류를 안내하여 상기 제 1 출력 신호가 하한 임계값에 도달할 때까지 상기 제 1의 일정한 크기로 마이너스 방향으로 상기 1차 펌프 전류를 안내하도록 구성되고,
    상기 제 2 검출 회로는 상기 제 2 출력 신호를 상기 제 1 출력 신호의 적어도 한 성분과 비교하여 상기 제 2 출력 신호와 상기 제 1 출력 신호의 적어도 한 성분 간의 차에 따라 상기 제어 신호를 발생시키도록 구성된 제 2 비교기를 포함하고,
    상기 제 2 스위칭 전류원은 상기 차가 제 1 차분 임계값에 도달할 때까지 제 2의 일정한 크기로 플러스 방향으로 상기 2차 펌프 전류를 안내하여 상기 차가 제 2 차분 임계값에 도달할 때까지 상기 제 2의 일정한 크기로 마이너스 방향으로 상기 2차 펌프 전류를 안내하도록 구성된 센서 관리 장치.
  50. 제 49 항에 있어서,
    또 다른 원소의 적어도 하나의 다른 이온의 이온 농도를 결정하도록 구성된 컴퓨팅 장치를 더 포함하는 센서 관리 장치.
  51. 제 49 항에 있어서,
    상기 컴퓨팅 장치는 또 다른 원소의 적어도 하나의 다른 이온의 이온 농도를 결정하도록 더 구성된 센서 관리 장치.
  52. 제 51 항에 있어서,
    상기 제 1 전기화학 셀 시스템은 산소 전기화학 셀을 포함하고 상기 제 2 전기화학 시스템은 전극에서 질소 산화물을 산소 이온과 질소 이온으로 환원시키는 질소 감지 전기화학 셀을 포함하며,
    상기 제 2 영역은 상기 제 1 영역보다도 상기 전극에 더 인접하고,
    상기 컴퓨팅 장치는 상기 2차 펌프 전류의 듀티 사이클에 기초하여 질소 이온 농도를 결정하도록 더 구성된 장치.
  53. 측정 챔버의 제 1 영역 내의 일반적인 산소 이온 농도에 따라 제 1 출력 신호를 발생시키고 제 1의 일정한 산소 셀 펌프 전류와 제 2의 일정한 산소 셀 펌프 전류 사이에서 변화하는 산소 셀 펌프 전류에 응답하여 제 1 산소 이온 흐름을 상기 측정 챔버 내로 그리고 상기 측정 챔버의 외부로 변화시키도록 구성된 산소 전기화학 셀 시스템과,
    상기 측정 챔버의 제 2 영역 내의 국부적인 산소 이온 농도에 따라 제 2 출력 신호를 발생시키고 제 1의 일정한 질소 셀 펌프 전류와 제 2의 일정한 질소 셀 펌프 전류 사이에서 변화하는 질소 셀 펌프 전류에 응답하여 제 2 산소 이온 흐름을 상기 측정 챔버 내로 그리고 상기 측정 챔버의 외부로 변화시키도록 구성된 질소 전기화학 셀 시스템 - 상기 질소 셀 펌프 전류는 상기 제 1 출력 신호와 상기 제 2 출력 신호 간의 차에 기초함 -
    을 포함하는 장치.
  54. 질소 산화물(NOx)의 농도를 결정하는 방법으로서,
    산소 전기화학 셀로부터, 측정 챔버 내의 제 1 산소 이온 농도에 대응하는 제 1 출력 신호를 수신하는 단계와,
    제 1의 일정한 1차 펌프 전류와 제 2의 일정한 1차 펌프 전류 사이에서 상기 산소 전기화학 셀을 통하여 1차 펌프 전류를 변화시키는 단계와,
    질소 감지 전기화학 셀로부터, 상기 측정 챔버 내의 제 2 산소 이온 농도에 대응하는 제 2 출력 신호를 수신하는 단계 - 상기 제 2 산소 이온 농도는 NOx를 질소 이온과 산소 이온으로 환원시킨 결과임 - 와,
    상기 제 1 출력 신호와 상기 제 2 출력 신호 간의 관계에 따라 제 1의 일정한 2차 펌프 전류와 제 2의 일정한 2차 펌프 전류 사이에서 상기 질소 감지 전기화학 셀을 통하여 2차 펌프 전류를 변화시키는 단계와,
    상기 2차 펌프 전류에 따른 신호의 파형에 기초하여 NOx 농도를 결정하는 단계
    를 포함하는 방법.
  55. 제 54 항에 있어서,
    상기 2차 펌프 전류를 변화시키는 단계는
    상기 제 1 출력 신호와 상기 제 2 출력 신호의 차가 제 1 임계값에 도달할 때까지 상기 질소 감지 전기화학 셀을 통하여 상기 제 1의 일정한 2차 펌프 전류를 안내하는 단계와,
    상기 제 1 출력 신호와 상기 제 2 출력 신호의 차가 제 2 임계값에 도달할 때까지 상기 질소 감지 전기화학 셀을 통하여 상기 제 2의 일정한 2차 펌프 전류를 안내하는 단계
    를 포함하는 방법.
  56. 제 55 항에 있어서,
    상기 제 1 출력 신호의 적어도 일부는 상기 제 1 산소 이온 농도에 응답하여 상기 산소 전기화학 셀에 의해 발생되는 산소 셀 Nernst 전압이며,
    상기 제 2 출력 신호의 적어도 일부는 상기 제 2 산소 이온 농도에 응답하여 상기 질소 감지 전기화학 셀에 의해 발생되는 질소 셀 Nernst 전압인 방법.
  57. 이온을 갖는 측정된 유체를 수용하도록 구성된 측정 챔버와,
    상기 측정 챔버와 밀봉된 챔버 사이에서 이온을 이동시켜 측정 챔버 이온 흐름을 생성하도록 구성된 전기화학 측정 셀과,
    상기 측정 챔버 이온 흐름에 따라, 밀봉된 챔버 이온 흐름을 설정하여 이온을 상기 밀봉된 챔버 내로 그리고 상기 밀봉된 챔버의 외부로 이동시키도록 구성된 전기화학 보상 셀
    을 포함하는 센서.
  58. 제 57 항에 있어서,
    상기 전기화학 보상 셀을 통하여 상기 밀봉된 챔버에서 나가는 제 1 배출 이온 양은 상기 전기화학 측정 셀을 통하여 상기 밀봉된 챔버에 들어가는 제 1 투입 이온 양에 대응하고, 상기 전기화학 보상 셀을 통하여 상기 밀봉된 챔버에 들어가는 제 2 투입 이온 양은 상기 전기화학 측정 셀을 통하여 상기 밀봉된 챔버에서 나 가는 제 2 배출 이온 양에 대응하는 센서.
  59. 제 58 항에 있어서,
    상기 측정된 유체는 가스인 센서.
  60. 제 59 항에 있어서,
    상기 가스는 산소를 포함하고 상기 이온은 산소 이온인 센서.
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