KR20160079833A - 질소 산화물들을 검출하기 위한 가스 센서 및 이러한 가스 센서에 대한 동작 방법 - Google Patents
질소 산화물들을 검출하기 위한 가스 센서 및 이러한 가스 센서에 대한 동작 방법 Download PDFInfo
- Publication number
- KR20160079833A KR20160079833A KR1020167014054A KR20167014054A KR20160079833A KR 20160079833 A KR20160079833 A KR 20160079833A KR 1020167014054 A KR1020167014054 A KR 1020167014054A KR 20167014054 A KR20167014054 A KR 20167014054A KR 20160079833 A KR20160079833 A KR 20160079833A
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- electrodes
- gas sensor
- nitrogen oxides
- gas mixture
- gas
- Prior art date
Links
- 239000007789 gas Substances 0.000 title claims abstract description 108
- MWUXSHHQAYIFBG-UHFFFAOYSA-N nitrogen oxide Inorganic materials O=[N] MWUXSHHQAYIFBG-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 78
- 238000011017 operating method Methods 0.000 title description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 35
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 15
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 7
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims abstract description 7
- 239000010416 ion conductor Substances 0.000 claims abstract 8
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 26
- 239000004020 conductor Substances 0.000 claims description 15
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 9
- 230000028161 membrane depolarization Effects 0.000 claims description 4
- -1 oxygen ions Chemical class 0.000 claims description 3
- 230000010287 polarization Effects 0.000 claims 6
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 5
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 34
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 17
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 11
- MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N Zirconium dioxide Chemical compound O=[Zr]=O MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 239000012080 ambient air Substances 0.000 description 7
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 5
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 4
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 3
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 3
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 3
- 238000007650 screen-printing Methods 0.000 description 3
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 description 2
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 2
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 2
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 2
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 229910002076 stabilized zirconia Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000443 aerosol Substances 0.000 description 1
- 239000003570 air Substances 0.000 description 1
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 description 1
- 238000010531 catalytic reduction reaction Methods 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 239000007772 electrode material Substances 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 1
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 1
- 239000008246 gaseous mixture Substances 0.000 description 1
- 230000036541 health Effects 0.000 description 1
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 1
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 230000010363 phase shift Effects 0.000 description 1
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 1
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 1
- 230000007480 spreading Effects 0.000 description 1
- 238000003892 spreading Methods 0.000 description 1
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 229910052717 sulfur Inorganic materials 0.000 description 1
- XTQHKBHJIVJGKJ-UHFFFAOYSA-N sulfur monoxide Chemical class S=O XTQHKBHJIVJGKJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052815 sulfur oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000002123 temporal effect Effects 0.000 description 1
- 238000004056 waste incineration Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
- G01N27/403—Cells and electrode assemblies
- G01N27/406—Cells and probes with solid electrolytes
- G01N27/407—Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases
- G01N27/4071—Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases using sensor elements of laminated structure
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
- G01N27/28—Electrolytic cell components
- G01N27/30—Electrodes, e.g. test electrodes; Half-cells
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
- G01N27/403—Cells and electrode assemblies
- G01N27/406—Cells and probes with solid electrolytes
- G01N27/407—Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases
- G01N27/4073—Composition or fabrication of the solid electrolyte
- G01N27/4074—Composition or fabrication of the solid electrolyte for detection of gases other than oxygen
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
- G01N33/0004—Gaseous mixtures, e.g. polluted air
- G01N33/0009—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment
- G01N33/0027—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment concerning the detector
- G01N33/0036—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment concerning the detector specially adapted to detect a particular component
- G01N33/0037—NOx
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
- G01N27/22—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating capacitance
- G01N27/221—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating capacitance by investigating the dielectric properties
- G01N2027/222—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating capacitance by investigating the dielectric properties for analysing gases
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
- G01N27/403—Cells and electrode assemblies
- G01N27/406—Cells and probes with solid electrolytes
- G01N27/407—Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
- Y02A50/00—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE in human health protection, e.g. against extreme weather
- Y02A50/20—Air quality improvement or preservation, e.g. vehicle emission control or emission reduction by using catalytic converters
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Pathology (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Food Science & Technology (AREA)
- Medicinal Chemistry (AREA)
- Measuring Oxygen Concentration In Cells (AREA)
Abstract
가스 혼합물에서 질소 산화물들을 검출하기 위한 가스 센서로서, 산소 이온 전도체, 및 이 산소 이온 전도체 상에 장착된 적어도 두 개의 전극들을 포함하고, 이 전극들은 동일한 재료로 구성되며, 가스 센서는, 가스 센서의 동작 동안에 전극들 둘 다가 가스 혼합물과 접촉하게 되도록 설계된다.
Description
폐가스(waste gas)들의 방출에 대하여, 그리고 모든 유형들의 발전소들, 가열 시스템(system)들, 쓰레기-소각 플랜트(plant)들, 가스 터빈(gas turbine)들 및 엔진(engine)들의 동작의 효율성에 대하여 증가하는 요건들은, 그 중에서도, 개개의 플랜트들 및 시스템들에서의 가스(gas)들의 조성(composition)이 지속적인 동작에서 결정되고 개선된 동작을 위해 평가됨으로써 충족될 수 있다. 이는, 가스 혼합물의 성분들을 결정하기 위한 센서(sensor)들에 대한 필요를 야기한다.
이것의 예는 꾸준히 증가하는 수의 자동차들이며, 이 자동차들에 대해서는, 동시에, 연소의 배기 가스들에 의해 유발되는, 환경 및 건강에 대한 손상을 제한하기 위하여, 훨씬 더 엄격한 배기-가스 규제들이 준수되어야 한다. 배기 가스의 유해한 성분들 중에서, 산화황(sulfur oxide)들 및 이산화탄소(carbon dioxide) 외에, 짧게 줄여서 NOx로 불리는 질소 산화물(nitrogen oxide)들의 그룹(group)이 점점 더 최전면으로 이동하고 있다. 질소 산화물들의 방출들을 줄이기 위하여, 막대한 노력들이 기술적 및 재정적 둘 다로 이루어지고 있는데: 예컨대, 배기-가스 재순환 및 선택적 촉매 환원(SCR:selective catalytic reduction)이 이루어지고 있다. 이들 프로세스(process)들의 기능을 모니터링(monitoring)할 목적으로, 그리고 운영비들을 낮출 목적으로, 차량(vehicle)의 배기 가스에서 NOx 농도의 지속적인 모니터링이 필요하다.
특히, 자동차 애플리케이션(application)들에서, 특정한 국가들에서는, 배기-가스 후처리 시스템의 동작 능력이 차량 자체에서 진단되는 것을 규정했다. 자동차 제조업자는, 심지어 긴 기간의 실행 이후에도, 랜덤하게(randomly) 선택된 차량이 방출 규제들을 준수함을 보장해야 한다. 무엇보다, 디젤(diesel) 차량들의 경우, NOx 방출들을 줄이는 목적을 위한 NOx 저장 촉매들 및 SCR 촉매들의 모니터링은, 어느 작업이 집중적으로 진행되고 있는지에 관한 과제이다.
연소의 배기 가스들로서 발생하는 것 외에, 질소 산화물들은 또한, 화학 플랜트들에서 프로세스 가스들로서 발생할 수 있다. 여기서, 역시, 질소 산화물들의 검출은 관심대상일 수 있다.
NOx의 측정을 위한 알려진 센서들은 광학 또는 화학 발광-기반 시스템들이다. 이들의 높은 가격 외에, 이들 시스템들은, 추출 측정이 필요하다는 단점, 즉, 가스의 회수가 필요하다는 단점을 갖는다. 많은 애플리케이션들의 경우, 이는 고비용들과 연관된다.
이들 단점들을 극복하는 알려진 센서들은 이트륨-안정화된 지르코니아(YSZ:yttrium-stabilized zirconia)에 기초하고; 이 경우, 예컨대, 백금으로 구성된 동일한 재료의 전극들이 동작하게 된다. 동작 원리는, 이 경우, 산소 및 NOx의 동시 측정을 이용하는 2-챔버(chamber) 시스템에 기초한다. 그러나, 복잡한 구조 및 이에 따른 높은 가격이 여기서 여전히 단점이다.
그에 반해서, 상이한 재료들로 구성된 전극들을 포함하고, 이들 전극들 사이의 전위차를 센서 신호로서 평가하는 소위 혼성 전위 센서들이 또한 알려져 있다.
US 2005/0284772 A1로부터, NOx 센서를 구성하기 위하여 지르코니아-기반 람다 프로브(lambda probe)들 또는 혼성 전위 센서들이 사용되는 측정 방법이 알려져 있다. 이 경우, 동적 방법이 측정 원리로서의 역할을 하는데, 정의된 전압 펄스(pulse)들이 센서에 인가되고, 개개의 가스-종속적 감극(depolarization)이 측정된다. 이러한 방식으로 기록된 방전 곡선들은 주변 가스 분위기에 대한 강한 종속성을 나타낸다. 이 경우, 질소 산화물들이 다른 가스들로부터 잘 구별될 수 있다.
람다 프로브의 중심 원리는, 전극들 중 하나의 전극이 계측될 가스 혼합물 쪽을 향해야 하는 반면에, 다른 전극은 정의된 분압의 산소를 갖는 가스 쪽을 향해야 한다는 것이다. 이에 따라 사용되는 센서들, 다시 말해, 람다 프로브들은, 처음에 열거된 알려진 단점들을 계속해서 나타낸다.
본 발명의 목적은, 센서의 단순화된 구조가 획득될 수 있게 하는, 가스 센서(gas sensor) 및 가스 센서에 대한 동작 방법을 특정하는 것이다.
이 목적은 청구항 제 1 항의 특징들을 갖는 가스 센서에 의해 달성된다. 동작 방법에 대하여, 솔루션(solution)은 청구항 제 7 항의 특징들을 갖는 동작 방법에 있다.
가스 혼합물에서 질소 산화물(nitrogen oxide)들을 검출하기 위한 본 발명에 따른 가스 센서는, 산소-이온(oxygen-ion)-전도 재료, 및 이온-전도 재료 상에 배열된 적어도 두 개의 전극들을 포함하고, 이 전극들은 동일한 재료로 구성된다. 가스 센서는, 가스 센서의 동작 동안에 전극들 둘 다가 가스 혼합물과 접촉하게 되는 방식으로 설계되었다.
본 발명의 경우, 질소 산화물들의 농도의 검출 및 결정을 위해, 동일한 전극 재료를 갖는 전극들 중 하나의 전극이 고정된 분압의 산소, 다시 말해, 예컨대, 주위 공기와 접촉하게 되는 것이 필요하지 않음이 실험적으로 인식되었다. 그보다는, 놀랍게도, 동일한 재료의 두 개의 전극들 둘 다가 계측될 가스 혼합물과 직접 접촉하게 된다면, 질소 산화물들의 검출이 가능함이 발견되었다. 이는, 이러한 유형의 센서의 동작에 관련된, 기술분야에서 앞서 지지된 의견을 반박한다.
그 결과, 놀랍게도, NOx 가스 센서의 구조를 상당히 단순화시키는 것이 가능해진다. 이에 따라, 한편으로, 동일한 재료로 전극들을 제조하는 것이 가능하며, 생산 동안에 여러 정교한 단계들이 제외된다. 그러나, 동시에, 더 이상, 전극들 중 하나의 전극이 기준 가스와 접촉하게 되고, 계측될 가스 혼합물로부터 격리된 방식으로 구조를 설계할 필요가 없다. 예컨대, 기준 가스가 관례상 주위 공기이기 때문에, 기술분야에서는, 챔버로서 형성된 내부로의 주위 공기를 위한 입구는, 이를 위해 지르코니아로 생성되고, 이는 생산에서 상당한 노력을 요구한다. 결과적으로, 더욱 유리한 생산 외에, 예컨대 평면 기술에 의하여, 값비싼 원료들에 대한 절약이 또한 이루어질 수 있다. 게다가, 센서는 매우 작게 만들어질 훨씬 더 많은 가능성을 갖는다.
다른 한편으로, 본 발명에 따른 가스 센서는 상대적으로 단순한 구성을 가질 수 있는데, 그 이유는 전극들 둘 다가 동일한 재료로 제조되었고 그리고 전극들 둘 다가 단지 가스 혼합물와 직접 접촉하게 되어야 하기 때문이다.
가스 센서는 편의상, 전극들에 대한 전기 연결들, 및 이 전극들에 전압을 인가하기 위한 수단, 뿐만 아니라 후속하는 감극 동안에 전극들 사이의 전압을 측정하기 위한 디바이스(device)를 포함한다.
이온-전도 재료는, 예컨대, 이트륨-안정화된 지르코니아(YSZ)일 수 있다. 이 재료는 심지어, 전극들에 대한 캐리어(carrier)로서 동작할 수 있다. 대안적으로, 이온-전도 재료가 예컨대 알루미나(alumina)로 구성된 캐리어 상의 층으로서 적용됨이 또한 가능하다. 이어서, 전극들은 이후, 이온-전도 재료의 층 상에 편의상 적용되었다. 전극들 자체는 편의상 백금으로 만들어진다.
이는, 가스 센서가, 센서, 특히 이온-전도 재료 및 전극들을, 산소 이온들의 전도가 존재하게 되는 온도로 가열시키도록 구성된 가열 디바이스(device)를 포함하는 경우에 유리하다. 질소 산화물들의 측정이 이 동작 온도로부터 시작하여 가장 잘 작동함이 실험적으로 발견되었다. 예컨대, 가열 디바이스는 예컨대, 백금의 평편한 층 형태의 전기 가열기로서 구성되었을 수 있다. 이 디바이스는 편의상, 이온-전도 재료로부터 그리고 물론 전극들로부터, 절연체의 층에 의해, 예컨대, 캐리어에 의해 전기적으로 격리되었다.
본 발명의 일 구성에서, 이온-전도 재료는 다공성 재료로서 구현되었을 수 있다. 이온-전도 재료가 계측될 가스 혼합물 및 예컨대 주위 공기 둘 다에 접하는 기술분야로부터의 센서의 경우, 다양한 가스들의 분압에서의 기울기들은 이온-전도 재료를 통한 가스들의 확산을 유도하고, 이는 센서 신호의 열화를 야기한다. 본 센서의 경우, 이온-전도 재료가 더 이상 주위 공기에 인접하는 것이 아니라, 편의상, 계측될 가스에 의해 모든 면들이 둘러싸이기 때문에, 이러한 확산이 더 이상 일어나지 않으며, 다공성 재료, 특히, 개방-기공형 재료가 사용될 수 있다. 다공성 이온-전도 재료는 유리하게, 더욱 쉽게 생산될 수 있고, 변동 온도들로 인한 부하들에 관련하여 더욱 안정적이며, 그리고 더 높은 비표면적(specific surface area)을 나타내는데, 이는 가스들과의 상호작용 및 이에 따른 센서 신호에 대한 장점들을 제공한다.
계측의 목적으로, 바람직하게, 전압은 바람직하게 0.1초 내지 1초, 특히 0.5초의 정의 가능한 제 1 시간-간격 동안에 전극들의 쌍에 인가된다. 그 이후, 방전이 제 2 시간-간격 동안에 관찰되고, 그리고 전압이 기록된다. 이후, 예컨대, 3초의 시간-간격 이후의 전압 레벨(level)이 센서 신호이다. 이후, 이 절차가 반복된다. 이는, 제 1 시간-간격 내에 인가되는 전압의 극성이 교대로 반전되는 경우에 매우 유리하다.
본 발명의 일 전개에 따라, 가스 센서는 세 개 또는 네 개의 전극들을 포함한다. 이 경우, 예컨대, 전극들 중 두 개가 이온-전도 재료의 일 면 상에 배열되었을 수 있는 반면에, 제 3 전극 또는 제 3 전극 및 제 4 전극은 이온-전도 재료의 다른 면 상에 배열되었다. 부가의 전극들을 이용하여, 여러 개선들이 획득되는 것이 가능하다. 이에 따라, 전극들의 다양한 쌍들에 대한 개개의 제 1 시간-간격 동안의 전압의 임프레싱(impressing)는 시간 오프셋(temporal offset)을 갖고 착수될 수 있는데, 다시 말해, 위상이 변이될 수 있다. 따라서, 측정 지점이 더욱 빈번하게 생성되고, 그리고 이에 따라 시간 해상도가 개선된다. 대안적으로 또는 부가하여, 전극들의 쌍들이 직렬로 연결될 수 있고, 그리고 이에 따라 신호 편차의 개선이 획득될 수 있다.
신호 품질의 개선을 획득하기 위하여, 전극들은 기하학적으로 설계될 수 있다. 예컨대, 전극들은 핑거(finger) 전극들(인터디지털(interdigital) 전극들)로서 설계될 수 있다.
본 발명은, 바람직한 실시예들에 기초하여 그리고 도면의 도들을 참조하여 하기에서 설명될 것이다.
도 1은 두 개의 전극들을 갖는, 본 발명에 따른 가스 센서의 제 1 변형을 도시하고,
도 2는 가스 센서를 동작시키기 위한 측정 방법에 대한 도면을 도시하고,
도 3은 세 개의 전극들을 갖는, 본 발명에 따른 가스 센서의 제 2 변형을 도시하고,
도 4는 가열 디바이스를 갖는, 본 발명에 따른 가스 센서의 제 3 변형을 도시한다.
도 1은 두 개의 전극들을 갖는, 본 발명에 따른 가스 센서의 제 1 변형을 도시하고,
도 2는 가스 센서를 동작시키기 위한 측정 방법에 대한 도면을 도시하고,
도 3은 세 개의 전극들을 갖는, 본 발명에 따른 가스 센서의 제 2 변형을 도시하고,
도 4는 가열 디바이스를 갖는, 본 발명에 따른 가스 센서의 제 3 변형을 도시한다.
도 1은, 매우 도식화된 형태로, 본 발명에 따른 제 1 가스 센서(10)를 도시한다. 이 센서는 YSZ 재료의 블록(block)(11)을 포함한다. 이 블록(11)의 제 1 면 상에는 제 1 백금 전극(12)이 배열된 반면에, 제 1 면에 대향하게 위치되는 제 2 면 상에는 제 2 백금 전극(13)이 적용되었다. 백금 전극들(12, 13)은, 전압(US)을 생성 및 측정하기 위한 디바이스(14)에 전기적으로 연결되었다. 도 1에서는, 제 1 가스 센서(10)가 계측될 가스 혼합물로 채워진 공간 안에 도입될 수 있게 하는 수단, 예컨대, 대응하게 구성된 개구부에 나사로 고정될 플랜지(flange)는 표현되지 않는다. 이들 수단 및 가스 센서(10)는, 가스 센서(10)의 장착 이후에, 제 1 및 제 2 백금 전극(12, 13) 둘 다가 가스 혼합물과 직접 접촉하게 되는 방식으로 설계되었다. 다른 한편으로, 이 경우, 예컨대, 주위 공기와 블록(11)의 접촉은 편의상 회피된다.
가스 센서(10)의 동작에서, 전압(US)이 디바이스(14)에 의하여 백금 전극들(12, 13) 사이에 교대로 인가되고, 그리고 전압 진행이 계측된다. 전압(US)의 예시적 진행이 도 2에 표현된다. 이에 따라, 고정된 양의 전압이 도 2의 좌에서 우로 제 1 시간-간격(t0) 동안에 인가된다. 여기서 사용된 전압은, 바람직하게 0.5 V 내지 2 V에 이른다. 제 1 시간-간격(t0)의 지속기간은 바람직하게 0.1초 내지 1초에 이른다. 다음의 제 2 시간-간격(t1) 동안에, 전압(US)이 (숫자상으로) 강하하는데, 진행은 가스 혼합물에서의 NOx의 존재에 의해 영향을 받는다. 다음으로, 음의 극성을 갖는 고정된 전압이 추가의 제 2 시간-간격(t0) 동안에 인가되고, 이 다음으로, 전압(US)의 진행이 추가의 제 2 시간-간격 내에서 추적된다. 이 경우, 예컨대, 제 2 시간-간격(t1) 내의 고정된 시간의 만료 이후에, 예컨대, 1초 또는 3초 이후에, 측정된 값이 취해질 수 있다.
놀랍게도, 실험적으로, 사용 가능한 NOx 신호가 인가된 전압의 극성들 둘 다에 대해 제 1 시간-간격(t0) 동안에 측정될 수 있음이 명백해진다. 공기 레퍼런스(reference), 다시 말해, 전극이 가스 혼합물 대신에 주위 공기에 노출된 공기 레퍼런스를 활용하는 센서의 경우, 극성들 중 하나의 극성의 경우에 매우 약한 신호만이 생성된다. 이는, 개선된 측정 빈도를 야기하는데, 그 이유는 신호가 두 배만큼 빈번하게 이용 가능하기 때문이다.
도 3은, 마찬가지로 매우 도식화된 형태로, 본 발명에 따른 제 2 가스 센서(20)를 도시하고, 이 제 2 가스 센서(20)는 제 1 가스 센서(10)와 유사한 방식으로 구성되었고, 그리고 제 1 가스 센서(10)에 대한 방식과 유사한 방식으로 동작된다. 이 센서는 YSZ 재료의 블록(11)을 포함한다. 이 블록(11)의 제 1 면 상에는 제 1 백금 전극(12)이 배열된 반면에, 제 1 면에 대향하게 위치되는 제 2 면 상에는 제 2 백금 전극(13)이 장착되었다. 백금 전극들(12, 13)은, 제 1 가스 센서(10)의 경우에서와 같이, 전압(US)을 생성 및 측정하기 위한 디바이스(14)에 전기적으로 연결되었다. 제 1 가스 센서(10)에 대조적으로, 제 2 백금 전극(13)은 정확하게 제 1 백금 전극(12)만큼 큰 것이 아니라, 더 작은 표면을 나타낸다. 제 2 백금 전극(13) 외에, 제 3 백금 전극(21)이 마찬가지로 블록(11)의 제 2 면 상에 제공되었다.
제 2 가스 센서(20)의 경우, 더 이상 도 3에서 표현되지 않은, 전압을 생성하기 위한 디바이스(14)가 대응하게 더욱 복잡하게 되도록 구성되었고, 따라서 전극들(12, 13, 21) 사이의 상이한 전위들이 생성될 수 있다. 이러한 방식으로, 제 1 및 제 2 전극들(12, 13) 사이의 양의 전위는 지속적인 동작에서, 예컨대, 제 1 시간-간격 내에서 생성될 수 있는 반면에, 음의 전위는 제 1 및 제 3 전극들(12, 21) 사이에서 생성된다. 따라서, 두 개의 독립적인 측정 신호들이 다음의 제 2 시간-간격 동안에 기록될 수 있다. 따라서, 예컨대, 신호 정확성이 개선될 수 있다.
개개의 제 1 및 제 2 시간-간격들, 다시 말해, 또한, 측정 신호들이 기록되는 순간들이 시간 오프셋을 갖게 구성된다면, 측정 신호들의 시간 해상도는 개선된다. 이 효과는 또한, 대응하는 위상 변이가 전기 구동(drive)에 제공된다면, 예컨대, 네 개 또는 다섯 개의 전극들로 추가로 강화될 수 있다. 충분한 양의 전극들이 제공된다면, 개선된 신호 편차를 획득하기 위하여, 전극들의 쌍들의 상호연결이 또한 가능하다.
도 4는 본 발명의 추가의 실시예에 따른 제 3 가스 센서(30)를 도시한다. 제 3 가스 센서(30)는 알루미나 기판(31) 상에 구성되었다. 기판(31)의 일 면 상에는, 지르코니아의 층(33)이 예컨대 스크린 프린팅(screen printing)에 의해 적용되었다. 이어서, 이 층 상에, 제 1 및 제 2 백금 전극들(12, 13)이 나란히 배열되었다. 기판(31)의 후면 상에는, 백금 가열 구조물(32)이 적용되었다. 이 구조물은, 제 3 가스 센서를 350℃로 가열할 수 있도록 구성되었다. 온도 제어의 목적으로, 한편으로, 가열 구조물(32) 자체가 사용될 수 있다. 대안적으로, 이를 위해, 부가의 온도 검출기가 제공됨이 또한 가능하다. 가스 혼합물 자체의 온도가 명백하게 350℃를 초과하는 상태로 있다면, 가열 구조물(32)을 온도 검출기로서만 동작시키는 것으로 또한 충분할 수 있는데, 그 이유는 부가의 가열이 불필요하기 때문이다.
Al2O3로 구성된 기판(31) 외에, 다른 기판 재료들이, 이들이 편의상 이온-전도적이지 않는 한 사용될 수 있다. 지르코니아의 층을 적용시킬 목적으로, 스크린 프린팅에 대한 대안으로서, 예컨대, 에어로졸 증착(aerosol deposition)이 또한 사용될 수 있다. 스크린 프린팅에 대조적으로, 이것은 밀집 층을 생성한다.
Claims (13)
- 가스 혼합물에서 질소 산화물(nitrogen oxide)들을 검출하기 위한 가스 센서(gas sensor)(10, 20, 30)로서,
산소-이온(oxygen-ion) 전도체(11, 33); 및
상기 산소-이온 전도체(11, 33) 상에 배열된 적어도 두 개의 전극들(12, 13)
을 갖고,
상기 전극들(12, 13)은 동일한 재료로 구성되며,
상기 가스 센서(10, 20, 30)는, 상기 가스 센서의 동작 동안에 전극들(12, 13) 둘 다가 상기 가스 혼합물과 접촉하게 되는 방식으로 설계된,
가스 혼합물에서 질소 산화물들을 검출하기 위한 가스 센서(10, 20, 30). - 제 1 항에 있어서,
상기 산소-이온 전도체(11, 33) 및 상기 전극들(12, 13)을, 산소 이온들의 전도가 존재하게 되는 온도로 가열하기 위해 구성된 가열 디바이스(device)(32)
를 갖는,
가스 혼합물에서 질소 산화물들을 검출하기 위한 가스 센서(10, 20, 30). - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
세 개 또는 네 개의 전극들(12, 13, 21)
을 갖고,
상기 전극들(12, 13, 21)은 동일한 재료로 구성되며, 그리고 상기 가스 센서(10, 20, 30)의 동작 동안에, 상기 전극들(12, 13, 21)이 상기 가스 혼합물과 접촉하게 되는 방식으로 배열되는,
가스 혼합물에서 질소 산화물들을 검출하기 위한 가스 센서(10, 20, 30). - 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 산소-이온 전도체(11, 33)는 다공성인,
가스 혼합물에서 질소 산화물들을 검출하기 위한 가스 센서(10, 20, 30). - 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전극들(12, 13)은 인터디지털(interdigital) 전극들로서 구성되는,
가스 혼합물에서 질소 산화물들을 검출하기 위한 가스 센서(10, 20, 30). - 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전극들(12, 13) 전부가 상기 가스 혼합물과 접촉하게 되는,
가스 혼합물에서 질소 산화물들을 검출하기 위한 가스 센서(10, 20, 30). - 가스 혼합물에서 질소 산화물들을 검출하기 위한 가스 센서(10, 20, 30)에 대한 동작 방법으로서,
산소-이온 전도체(11, 33) 및 상기 전도체 상에 배열된 적어도 두 개의 전극들(12, 13)을 포함하는 가스 센서(10, 20, 30)가 사용되고 ―상기 전극들(12, 13)은 동일한 재료로 구성됨―,
상기 가스 센서(10, 20, 30)는, 전극들(12, 13) 둘 다가 상기 가스 혼합물과 접촉하게 되는 방식으로, 상기 가스 혼합물과 연관되는,
가스 혼합물에서 질소 산화물들을 검출하기 위한 가스 센서(10, 20, 30)에 대한 동작 방법. - 제 7 항에 있어서,
상기 산소-이온 전도체(11, 33) 및 상기 전극들(12, 13)은 적어도 350℃의 온도로 유지되는,
가스 혼합물에서 질소 산화물들을 검출하기 위한 가스 센서(10, 20, 30)에 대한 동작 방법. - 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
셋 또는 그 초과의 전극들(12, 13, 21)을 갖는 가스 센서(10, 20, 30)가 사용되고, 그리고 위상-변이 분극 및 상호 전위(mutual potential)들의 판독이 수행되는,
가스 혼합물에서 질소 산화물들을 검출하기 위한 가스 센서(10, 20, 30)에 대한 동작 방법. - 제 7 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
신호를 생성하는 목적을 위해, 교대로,
전압이 상기 전극들 사이에 인가되거나, 또는 상기 전극들을 통하는 전류의 흐름이 생성되고, 그리고
전압 진행이 측정되는,
가스 혼합물에서 질소 산화물들을 검출하기 위한 가스 센서(10, 20, 30)에 대한 동작 방법. - 제 10 항에 있어서,
인가되는 전압의 극성은 교번하는,
가스 혼합물에서 질소 산화물들을 검출하기 위한 가스 센서(10, 20, 30)에 대한 동작 방법. - 제 7 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
전압 진행이 측정되는 위상은, 종료 기준에 도달한 이후에, 특히, 정의 가능한 시간 기간의 만료 이후에 또는 정의 가능한 전압에 도달할 때, 끝나는,
가스 혼합물에서 질소 산화물들을 검출하기 위한 가스 센서(10, 20, 30)에 대한 동작 방법. - 제 7 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
전압에 의한 분극의 경우 분극 전류, 또는 정의된 전류에 의한 분극의 경우 분극 전압, 및/또는 정의된 감극(depolarization) 시간을 갖는 감극 전압, 또는 정의된 감극 전압을 갖는 감극 지속기간이 센서 신호로서의 역할을 하는,
가스 혼합물에서 질소 산화물들을 검출하기 위한 가스 센서(10, 20, 30)에 대한 동작 방법.
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE102013222195.9 | 2013-10-31 | ||
| DE201310222195 DE102013222195A1 (de) | 2013-10-31 | 2013-10-31 | Gassensor zur Detektion von Stickoxiden und Betriebsverfahren für einen solchen Gassensor |
| PCT/EP2014/072712 WO2015062955A1 (de) | 2013-10-31 | 2014-10-23 | Gassensor zur detektion von stickoxiden und betriebsverfahren für einen solchen gassensor |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20160079833A true KR20160079833A (ko) | 2016-07-06 |
| KR101833370B1 KR101833370B1 (ko) | 2018-02-28 |
Family
ID=51868188
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020167014054A KR101833370B1 (ko) | 2013-10-31 | 2014-10-23 | 질소 산화물들을 검출하기 위한 가스 센서 및 이러한 가스 센서에 대한 동작 방법 |
Country Status (7)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US20160282297A1 (ko) |
| EP (1) | EP3042189A1 (ko) |
| JP (1) | JP6234568B2 (ko) |
| KR (1) | KR101833370B1 (ko) |
| CN (1) | CN105683744A (ko) |
| DE (1) | DE102013222195A1 (ko) |
| WO (1) | WO2015062955A1 (ko) |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102014214409A1 (de) | 2014-07-23 | 2016-01-28 | Siemens Aktiengesellschaft | Verfahren zum Betrieb eines Gassensors zur Verbesserung der Detektion von Stickoxiden |
| DE102014214370A1 (de) * | 2014-07-23 | 2016-01-28 | Siemens Aktiengesellschaft | Betriebsverfahren für einen Gassensor |
| DE102014214413A1 (de) | 2014-07-23 | 2016-01-28 | Siemens Aktiengesellschaft | Verfahren zum Betrieb eines Gassensors zur Verbesserung der Langzeitstabilität des Gassensors |
| DE102018115623A1 (de) * | 2018-06-28 | 2020-01-02 | CPK Automotive GmbH & Co. KG | Verfahren zur Messung von Stickoxiden und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens |
| CN114910529B (zh) * | 2022-02-22 | 2023-08-15 | 有研工程技术研究院有限公司 | 一种氮氧化物传感器用材料性能检测方法 |
Family Cites Families (21)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS55156855A (en) * | 1979-05-25 | 1980-12-06 | Nissan Motor Co Ltd | Air fuel ratio measuring device |
| SE513477C2 (sv) * | 1993-11-08 | 2000-09-18 | Volvo Ab | Sensor för detektering av kväveoxidföreningar |
| SE512866C2 (sv) * | 1995-02-21 | 2000-05-29 | Volvo Ab | Anordning för analys av avgaser |
| JPH1172476A (ja) * | 1997-07-02 | 1999-03-16 | Riken Corp | 窒素酸化物ガスセンサ |
| JP3487330B2 (ja) * | 1997-11-10 | 2004-01-19 | 株式会社豊田中央研究所 | 窒素酸化物センサ |
| JP2000002686A (ja) * | 1998-06-15 | 2000-01-07 | Riken Corp | 窒素酸化物変換デバイス |
| JP4116543B2 (ja) * | 2000-12-07 | 2008-07-09 | エーイーピー・インヴェストメンツ・インコーポレーテッド | 酸素・窒素酸化物複合センサ |
| DE10106171A1 (de) * | 2001-02-10 | 2002-11-21 | Bosch Gmbh Robert | Gassensor |
| DE10163912B4 (de) * | 2001-04-05 | 2016-07-21 | Robert Bosch Gmbh | Gassensor, insbesondere Lambda-Sonde |
| US6598596B2 (en) * | 2001-09-28 | 2003-07-29 | University Of Florida | Solid state potentiometric gaseous oxide sensor |
| JP2003185625A (ja) * | 2001-10-09 | 2003-07-03 | Riken Corp | ガス検知素子及びこれを用いたガス検出装置 |
| JP3778118B2 (ja) * | 2001-12-03 | 2006-05-24 | 株式会社デンソー | 内燃機関のガス濃度検出装置 |
| US7585402B2 (en) | 2004-06-18 | 2009-09-08 | Bjr Sensors, Llc | Method of sensor conditioning for improving signal output stability for mixed gas measurements |
| US7678329B2 (en) * | 2004-09-24 | 2010-03-16 | Babcock & Wilcox Technical Services Y-12, Llc | NOx sensing devices having conductive oxide electrodes |
| DE102005047443A1 (de) * | 2005-09-30 | 2007-04-05 | Robert Bosch Gmbh | Gassensor |
| US8399883B2 (en) * | 2008-09-30 | 2013-03-19 | Iljin Copper Foil Co., Ltd. | Nitrogen-oxide gas sensor with long signal stability |
| US20100122916A1 (en) * | 2008-11-19 | 2010-05-20 | Nair Balakrishnan G | Sensor with electrodes of a same material |
| DE102009002118A1 (de) * | 2009-04-02 | 2010-10-14 | Robert Bosch Gmbh | Sensorelement für einen Gassensor und Verfahren zu dessen Herstellung |
| CN101706470B (zh) * | 2009-11-13 | 2012-06-27 | 宁波工程学院 | 一种全固化混合电势型NOx传感器及其制备方法 |
| US8974657B2 (en) * | 2010-09-03 | 2015-03-10 | Nextech Materials Ltd. | Amperometric electrochemical cells and sensors |
| DE102010063520A1 (de) * | 2010-12-20 | 2012-06-21 | Robert Bosch Gmbh | Verfahren und Sensorvorrichtung zur Diagnose eines Sensorelements |
-
2013
- 2013-10-31 DE DE201310222195 patent/DE102013222195A1/de not_active Withdrawn
-
2014
- 2014-10-23 JP JP2016527187A patent/JP6234568B2/ja not_active Expired - Fee Related
- 2014-10-23 EP EP14795570.2A patent/EP3042189A1/de not_active Withdrawn
- 2014-10-23 CN CN201480059018.7A patent/CN105683744A/zh active Pending
- 2014-10-23 WO PCT/EP2014/072712 patent/WO2015062955A1/de active Application Filing
- 2014-10-23 KR KR1020167014054A patent/KR101833370B1/ko active IP Right Grant
- 2014-10-23 US US15/033,790 patent/US20160282297A1/en not_active Abandoned
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN105683744A (zh) | 2016-06-15 |
| EP3042189A1 (de) | 2016-07-13 |
| WO2015062955A1 (de) | 2015-05-07 |
| US20160282297A1 (en) | 2016-09-29 |
| JP6234568B2 (ja) | 2017-11-22 |
| KR101833370B1 (ko) | 2018-02-28 |
| DE102013222195A1 (de) | 2015-04-30 |
| JP2016535265A (ja) | 2016-11-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR101833370B1 (ko) | 질소 산화물들을 검출하기 위한 가스 센서 및 이러한 가스 센서에 대한 동작 방법 | |
| Fischer et al. | Method for detection of NOx in exhaust gases by pulsed discharge measurements using standard zirconia-based lambda sensors | |
| US5997707A (en) | Oxide sensor | |
| Ritter et al. | Solid state mixed-potential sensors as direct conversion sensors for automotive catalysts | |
| US20070051641A1 (en) | Oxides of nitrogen gas sensors and methods | |
| Yang et al. | High temperature amperometric total NOx sensors with platinum-loaded zeolite Y electrodes | |
| CN104919313A (zh) | SOx浓度检测装置 | |
| CN109001284B (zh) | 一种氮氧化物传感器陶瓷芯片 | |
| US6716327B1 (en) | Measuring arrangement for the determination of gas components in a gas mixtures | |
| West et al. | Use of La0. 85Sr0. 15CrO3 in high-temperature NOx sensing elements | |
| US11808732B2 (en) | Method for monitoring a gas sensor | |
| Gibson et al. | Novel sensors for monitoring high oxygen concentrations | |
| RU2483299C1 (ru) | Твердоэлектролитный датчик для амперометрического измерения концентрации водорода в газовых смесях | |
| Soykal et al. | Amperometric NO x sensor based on oxygen reduction | |
| Zhuiykov et al. | Solid-state electrochemical gas sensors for emission control | |
| Fischer et al. | Detection of NO by pulsed polarization technique using Pt interdigital electrodes on yttria-stabilized zirconia | |
| JP2004205357A (ja) | ガス濃度の検出方法 | |
| US20050235631A1 (en) | Sensor element for a sensor for determining the oxygen concentration in the exhaust gas of internal combustion engines | |
| JPS5810138Y2 (ja) | 酸素センサ性能評価装置 | |
| US20170212073A1 (en) | Method For Operating A Gas Sensor For Improving The Detection Of Nitrogen Oxides | |
| JP2004212145A (ja) | ガスセンサの診断装置 | |
| US20180188202A1 (en) | NOx SENSOR WITH CATALYTIC FILTER AND POLARISATION | |
| JPH11352096A (ja) | ガスセンサ素子 | |
| US20050214170A1 (en) | Gas sensor and process for producing a gas sensor | |
| Fischer et al. | Pulsed-potential method for NOx detection using standard zirconia-based lambda sensors |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant |