JP4229565B2 - NOx sensor - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガス濃度検知装置に関し、さらに詳しくは、ボイラー、自動車等から排出される燃焼排気ガス中に含まれる酸素ガス、NOx、SOx、CO、CO2、H2O等の酸素結合ガス、あるいは、炭化水素(HC)等の可燃性ガスの濃度を検出するガス濃度検知装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、ガソリン自動車やディーゼル自動車、あるいは、ボイラーなどの種々の燃焼装置、機関等から排出される窒素酸化物(NOx)、一酸化炭素(CO)、種々の炭化水素(HC)等の量をできる限り低減することが課題になっており、燃焼装置等から排出されるこれらのガス量の制御や排ガス浄化装置の動作を監視するための種々のガス濃度検知装置が提案されている。
【0003】
中でも、安定化ジルコニアに代表される酸素イオン伝導性固体電解質(以下、これを単に「固体電解質」という。)の酸素ポンプ作用、あるいは、酸素濃淡電池の形成による起電力の発生を利用したガス濃度検知装置は、小型で、構造も比較的簡単であることから、自動車の排ガス中に含まれるNOxガスの量を監視するためのNOxセンサ、自動車のエンジンに送る空気と燃料の比を管理するための酸素センサ等に利用されている。
【0004】
固体電解質が酸素イオン伝導性を示すには、一般に、高温度(例えば、安定化ジルコニアの場合は、約600℃以上。)を必要とする。そのため、固体電解質を利用したガス濃度検知装置は、通常、固体電解質の両面に電極を形成した電気化学的セルと、電気化学的セルを加熱するためのヒータとを備え、電気化学的セルとヒータが絶縁層を介して積層された構造を有している。
【0005】
しかしながら、ヒータを用いてガス濃度検知装置を高温に加熱すると、被測定ガス中に含まれる特定のガス(被検知ガス)の成分濃度に対応しないオフセット電流が流れる場合がある。このオフセット電流もしくはこれに対応して発生する電圧の値が、電気化学的セルから出力される電流もしくは電圧の値に比して大きい場合、又は、ガス濃度検知装置の作動状態に応じてオフセット電流が大きく変動する場合には、ガスの検知精度を著しく低下させる原因となる。
【0006】
例えば、排ガス中に含まれる微量のNOxガスの濃度を検出するためのガス濃度検知装置は、排ガス中の主成分である酸素の影響を受けることなく、排ガス中に含まれる微量のNOxガスを検出する必要があることから、一般に、被測定ガスから酸素を取り除くための電気化学的セル(以下、これを「酸素ポンプセル」という。)と、酸素が取り除かれた被測定ガスに含まれる被検知ガス(この場合は、NOxガス)を検知するための電気化学的セル(以下、これを「ガス検知セル」という。)とを備えている。
【0007】
排ガス中に含まれるNOx濃度は、通常、数百ppm以下であるので、このような低濃度のNOxをガス濃度検知装置で測定すると、その出力はμAオーダーとなる。しかしながら、この種のガス濃度検知装置では、NOx濃度が0ppmである被測定ガスを供給し、酸素ポンプセルによって被測定ガス中の酸素濃度を例えば1ppm以下に制御しても、ガス検知セルに流れるオフセット電流の値は、1ppm相当の値よりも遙かに高い100ppm相当の値となる場合がある。
【0008】
このオフセット電流は、種々の原因により発生すると考えられている。例えば、固体電解質の積層体の気密性不足によって、ガス検知セルに微量の酸素が拡散侵入し、これによってオフセット電流が流れる場合があると言われている。また、例えば、ガス検知セルが高温になると、このセルを構成する固体電解質に微量の電子伝導が起こり、これがオフセット電流となって表れるとも言われている。あるいは、ヒータからのリーク電流がガス検知セルに加わり、これがオフセット電流となって表れるとも言われている。
【0009】
このオフセット電流の値を小さくするため、又は、オフセット電流の値を一定の値に維持するために、従来から種々の方法が提案されている。例えば、特開平10−318979号公報には、ヒータのパターンを、前段の主ポンプセル(酸素ポンプセル)側を密に、後段の測定用ポンプセル(ガス検知セル)側を粗にしたガスセンサが提案されている。また、同公報には、測定用ポンプセルを構成する固体電解質のインピーダンスが一定となるように、ヒータの電力を制御するヒータ制御手段を備えたガスセンサが提案されている。
【0010】
また、例えば、特開平11−23521号公報には、ヒータに電力を供給するヒータ電源部とセルに電圧を印加するセル電源部とを、絶縁型DC−DCコンバータを用いて電気的に分離した加熱型化学センサの駆動方法が開示されている。
【0011】
さらに、特公平6−84950号公報には、ヒータを備えた加熱部と電気化学的セル(ガス検知セル)との間に、保護電極が設けられた第2の固体電解質を配置し、電気化学的セルの少なくとも一方の電極と保護電極とを電気的に接続した電気化学的装置が開示されている。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
特開平10−318979号公報には、ヒータのパターンを変えることによって、ガス検知セルの温度を700℃まで下げると、固体電解質の電子伝導の抵抗率を1MΩ以上にすることができるので、固体電解質の電子伝導に起因するオフセット値を小さくすることができる点が開示されている。しかしながら、ガス検知セルの温度は、通常、排ガス温度付近まで上昇するので、一般的に700℃を超える自動車の排ガス条件下では、ガス検知セルの温度も700℃以上に上昇する。従って、この方法では、オフセット値の大きな低減効果は期待できない。
【0013】
また、同公報には、ヒータ制御手段を用いて、ガス検知セルを構成する固体電解質のインピーダンスを一定に制御すると、固体電解質の温度を一定に保つことができるので、固体電解質の電子伝導に起因するオフセット電流を一定に維持することができる点が開示されている。しかしながら、ガス検知セルとヒータとの間には熱伝導の遅れがあるので、温度制御速度には上限がある。そのため、自動車のエンジン負荷が大きく変化し、排ガス温度が急激に変化した場合には、ヒータの電力制御を精密に行っても、ガス検知セルの温度上下は避けられず、オフセット値を一定に維持することは困難である。
【0014】
また、ヒータを具備したガス濃度検知装置においては、ヒータとガス検知セルとの間の電気絶縁性は、できる限り高いことが望ましい。そのため、発熱体の周囲を絶縁体で覆う、あるいは発熱体を電気絶縁体上に設けるなどの手法が採られる。しかし、アルミナなどの絶縁材料は、800℃を超える高温度域ではその絶縁性が指数関数的に低下するので、微量ながらヒータへの印加電圧が絶縁層を経由してガス検知セルにリークする。しかも、リーク電流又はこれによって発生するリーク電圧は、わずかな温度変動によって大きく変動するので、ガス検知セルの出力が微少である場合には、ガス検知性能を著しく低下させる原因となる。
【0015】
この問題を解決するために、特開平11−23521号公報には、ヒータ回路とガス検知回路を電気的に分離する点が開示されている。しかしながら、両回路が電気的に分離された状態では、自動車点火系などから発生する電磁波や電磁誘導、静電誘導などの電気的ノイズがガス検知セル及び電流検出部に加わりやすい。そのため、フィルタ回路でこれらのガス濃度に対応しない成分を除外せざるを得ず、ガス濃度検知装置としての応答性が低下する。また、両回路を分離しても、ヒータ回路とガス検知回路間の絶縁性は、高い湿度環境などで低下するので、これによるリーク電流も増大し、ガス濃度検知装置としての検知精度が低下する。
【0016】
一方、特公平6−84950号公報に開示されているように、ヒータに保護電極を設けて、ヒータからのリーク電流を除去することも考えられる。しかしながら、シールド効果を高めるためには、ガス検知セルとヒータの接合面付近に保護電極を配置する必要があり、接合部の強度を低下させるという問題がある。また、これを避けるためにヒータ部分に保護電極を設ける場合、完全なシールド効果を得るためには、センサ構造が複雑で高価なものとなる。
【0017】
本発明が解決しようとする課題は、ガス検知セルに流れるオフセット電流の絶対値及びその温度依存性が小さく、被検知ガスの濃度を高精度で検知でき、しかも、応答性に優れたNOxセンサを提供することにある。
【0018】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、固体電解質の両面に電極が形成された、被測定ガスに含まれる酸素を排出する酸素ポンプセルと、固体電解質の両面に電極が形成されたガス検知セルと、該ガス検知セルに電圧を印加する検知セル電源と、該ガス検知セルを加熱するためのヒータと、該ヒータに電力を供給するヒータ電源とを備えたNOxセンサにおいて、前記検知セル電源の一方の端子と、前記ヒータ電源の一方の端子とを接続する接続回路と、該接続回路上に設けられた、前記ヒータと前記ガス検知セルの間に発生するリーク電圧、又は、前記ヒータから前記ガス検知セルに流れるリーク電流を打ち消すためのリーク打消手段とをさらに備え、前記リーク打消手段は、前記ヒータ電源を分圧し、前記リーク電圧に逆方向に電圧を前記ガス検知セルに印加するための分圧手段であり、前記リーク打消手段の端子間電圧を、前記ヒータ電源の端子間電圧の0.4〜0.6倍となるように構成したことを要旨とするものである。
【0019】
上記構成を有する本発明に係るNOxセンサは、接続回路によってヒータ回路とガス検知回路が接続されているので、フィルタ回路等を使用することなく電磁波等に起因する電気的ノイズの影響を排除することができる。また、リーク打消手段によって、リーク電圧又はリーク電流に逆方向に電圧又は電流がガス検知セルに印加されるので、リークに起因するオフセット電流の絶対値及びその温度依存性を小さく抑えることができる。そのため、NOxセンサの応答性を低下させることなく、NOxガスの検知精度を向上させることができる。
【0020】
【発明の実施の形態】
まず、ガス検知セル及びこれを加熱するためのヒータを備えたガス濃度検知装置(以下、これを「検知装置」という。)を用いて、ヒータの動作がガス検知セルのオフセット電流にどのような影響を及ぼすかを調べる実験を行った。初めに、実験に用いた検知装置(以下、これを「実験用検知装置」という。)の構成について説明する。
【0021】
図1に、実験用検知装置の断面図を示す。図1において、実験用検知装置10は、固体電解質の酸素ポンプ作用を利用して、被測定ガスに含まれるNOxガスなどの酸素結合ガスを検出するための装置であり、固体電解質12aと、隔壁層14と、固体電解質12bと、絶縁層34aの積層体からなっている。
【0022】
実験用検知装置10の内部には、ガス導入チャンバ16と、大気導入チャンバ18が設けられている。ガス導入チャンバ16は、被測定ガスを拡散によりその内部に導入するための拡散律速部14aを備えた閉塞孔であり、その内壁は、固体電解質12a、12b及び隔壁層14によって構成されている。また、大気導入チャンバ18は、その内部に大気を導入するための開口部18aを備えた閉塞孔であり、その内壁は、固体電解質12b及び絶縁層34aによって構成されている。
【0023】
なお、拡散律速部14aは、ガス導入チャンバ16内部に拡散する被測定ガスに対し、所定の拡散抵抗を付与できるものであれば良く、その形状、材質等は、特に限定されるものではない。図1に示す例では、隔壁層14にスリットを設けて小孔を形成し、これを拡散律速部14aとしているが、ガス導入チャンバ16の開口部に多孔質材料を設け、これを拡散律速部14aとして用いても良い。
【0024】
また、実験用検知装置10は、酸素ポンプセル20と、ポンプセル電源24と、ガス検知セル26と、検知セル電源30と、ヒータ部34と、ヒータ電源38とを備えている。
【0025】
酸素ポンプセル20は、固体電解質12aと、その両面に設けられた陽極22a及び陰極22bとを備え、陽極22a及び陰極22bには、所定の電圧を印加するためのポンプセル電源24が接続されている。酸素ポンプセル20は、ガス導入チャンバー16内に導入された被測定ガスに含まれる酸素のみを選択的に実験用検知装置10外へ排出するための電気化学的セルであり、拡散律速部14a近傍に設けられている。また、陽極22a及び陰極22bは、それぞれ、実験用検知装置10の外壁側及びガス導入チャンバ16の内壁側に設けられている。
【0026】
ガス検知セル26は、固体電解質12bと、その両面に設けられた陽極28a及び陰極28bとを備え、陽極28a及び陰極28bには、所定の電圧を印加するための検知セル電源30と、陽極28a及び陰極28b間を流れる電流を計測するためのガス検知セル出力電流計32が接続されている。ガス検知セル26は、被測定ガスに含まれる酸素結合ガスを分解させ、その際に発生する酸素量を計測するための電気化学的セルであり、酸素ポンプセル20の後段に設けられている。また、陽極28aは、大気導入チャンバ18の内壁側に設けられ、陰極28bは、ガス導入チャンバ16の内壁側に設けられている。
【0027】
ヒータ部34は、絶縁層34a内部に、金属とセラミック成分からなるヒータ36が形成されたものからなる。また、ヒータ36の両端は、リード部36a及び36bを介して、ヒータ電源38に接続されている。ヒータ部34は、固体電解質12a、12bが酸素ポンプ作用を示す温度まで加熱したり、あるいは、実験用検知装置10を所定の温度に保持するために用いられるものであり、図1に示す例においては、実験用検知装置10の下端に設けられている。
【0028】
さらに、実験用検知装置10は、オフセット電流に及ぼすヒータ動作の影響を調べるための実験用回路40を備えている。実験用回路40は、開閉スイッチ42及び切替スイッチ44を用いて、ガス検知セル26の陰極28bと、ヒータ電源38の+端子又は−端子のいずれか一方とを接続するための回路である。また、開閉スイッチ42の両端には、高入力抵抗電圧計46が接続され、陰極28bと、+端子又は−端子との間に発生する電位差を計測できるようになっている。
【0029】
次に、図1に示す実験用検知装置10を用いて、被測定ガス中に含まれる酸素結合ガスを検出する一般的方法について説明する。まず、実験用検知装置10全体を被測定ガス中に配置し、固体電解質12a、12bが酸素ポンプ作用を示す温度(例えば、700℃)に維持されるように、ヒータ部34を用いて実験用検知装置10を加熱する。この時、被測定ガスは、拡散によって拡散律速部14aからガス導入チャンバ16内に流入する。
【0030】
拡散律速部14aから流入した被測定ガスは、拡散により酸素ポンプセル20に到達する。酸素ポンプセル20の陰極22bには、所定の電圧以下では酸素に対してのみ高い還元性を有する電極が用いられているので、ポンプセル電源24を用いて陽極22a及び陰極22b間に適当な大きさの電圧を印加すると、酸素ポンプ作用により、被測定ガスに含まれる酸素ガスのみが選択的に実験用検知装置10外へ排出される。
【0031】
さらに、酸素濃度が取り除かれた被測定ガスは、拡散によりガス検知セル26に到達する。この時、ガス検知セル26の陽極28a及び陰極28b間に所定の電圧を印加すると、まず、陰極28bに酸素結合ガスが吸着し、酸素結合ガスが陰極28bと固体電解質12bの界面で分解する。酸素結合ガスの分解により生成した酸素は、固体電解質12bの酸素ポンプ作用により、大気導入チャンバー18側へ排出される。その際に、陽極28a及び陰極28b間には、酸素結合ガス濃度に比例した電流が流れるので、その大きさをガス検知セル出力電流計32で計測すれば、酸素結合ガスの濃度を検出できることになる。
【0032】
次に、実験手順について説明する。実験用検知装置10を純度99.99%のN2ガス雰囲気(NOx=0)にさらし、ガス検知セル26の陰極28bには、このN2ガスを被測定ガスとして導入した。一方、陽極28aには、大気を導入した。
【0033】
ヒータ36には、ヒータ電源38により9〜13Vの電圧を印加し、実験用検知装置10の温度を700〜900℃に変化させた。また、酸素ポンプセル20には、ポンプセル電源24により所定の電圧を印加し、ガス導入チャンバ16内の酸素を実験用検知装置10外に排出できる動作状態とした。さらに、ガス検知セル26には、検知セル電源30により0.5Vの電圧を印加し、NOxガスの分解に起因する解離電流をガス検知セル出力電流計32で検知できる動作状態とした。
【0034】
従って、この動作状態では、実験用検知装置10の雰囲気がほぼ純N2ガス雰囲気のため、ガス検知セル26に流れる電流値は、著しく低い値となるはずであるが、もし、ガス導入チャンバ16内に酸素ガスが流入するか、あるいは、電気的要因などによってガス検知セル出力電流計32に電流が流れるようなことがあれば、これがオフセット電流として測定できることになる。
【0035】
この状態で、開閉スイッチ42を閉じ、かつ、ガス検知セル26の陰極28bの電位がヒータ電源38の+端子又は−端子の電位と等しくなるように、切替スイッチ44を図1に示すA側(+端子)又はB側(−端子)に接続して、オフセット電流の変化を調べた。結果を図2に示す。
【0036】
図2に示すように、ヒータ電源38の+端子とガス検知セル26の陰極28bとを接続した場合、オフセット電流は、温度の増加と共に増大した。これに対し、ヒータ電源38の−端子とガス検知セル26の陰極28bとを接続した場合、オフセット電流は、温度の増加と共に減少した。特に、実験用検知装置10の加熱温度が800℃を超えると、オフセット電流は、いずれの場合も温度に対して著しく変化するものとなり、900℃ではその絶対値が数μAにも達した。
【0037】
また、ガス検知セル26のもう一方の電極である陽極28aと、ヒータ電源38の+端子又は−端子とを接続した場合も、オフセット電流の大きさ及び加熱温度に対する変化挙動は、図2とほぼ同様であった。
【0038】
一方、ガス検知セル26の陽極28a又は陰極28bをヒータ電源38の+端子又は−端子のいずれにも接続しなかった場合には、このようなオフセット電流の変化は発生しなかった。以上の結果から、図2に表れたオフセット電流の大きな変化は、ヒータ36自身、あるいは、そのリード部36a、36bからの電気的リークに起因していると推察される。
【0039】
次に、上述したオフセット電流がどのような経路で流れたかを調べるために、図1に示す開閉スイッチ42を開いた状態で、切替スイッチ44をヒータ電源38の+端子又は−端子に接続し、高入力抵抗電圧計46を用いて、陰極28bとヒータ電源38の+端子又は−端子との間に発生している電圧を測定した。
【0040】
その結果、ヒータ36への印加電圧の0.4〜0.6倍の電圧が、陰極28bに発生していることがわかった。また、ヒータ36への印加電圧に対するこの電圧の比率(以下、これを「リーク電圧比」という。)は、実験用検知装置10の温度を変化させるためにヒータ36への印加電圧を変化させても、大きく変化しないことがわかった。
【0041】
以上のような結果が得られた理由については、以下のように考えることができる。図3(a)に、ガス検知セル26の陰極28bとヒータ電源38の−端子とを接続した状態の実験用検知装置10の縦断面図を示す。実験用検知装置10は、上述したように、ヒータ36を備えた絶縁層34aの上に、ガス検知セル26が積層され、その上に、隔壁層14を介して酸素ポンプセル20が積層された構造を有している。
【0042】
絶縁層34aには、一般に絶縁性の高いアルミナなどが用いられるので、室温近傍では、ヒータ36からガス検知セル26に電流がリークすることはない。しかしながら、アルミナなどの絶縁材料は、高温域では絶縁性が指数関数的に低下するので、実験用検知装置10の温度が高くなると、ヒータ電源38によりヒータ36に供給される電流の一部がリークし、図3(a)の矢印で示すように、絶縁層34a及びガス検知セル26を通ってガス検知セル出力電流計32に流れ込むと考えられる。
【0043】
この実験用検知装置10を等価回路で表すと、図3(b)のように表すことができる。ここで、図3(b)中、r1はヒータ36の抵抗、R1及びR2は絶縁層34aの抵抗、r2及びr3は固体電解質12bの抵抗を表す。また、r4及びr5は、それぞれ、固体電解質12bと陽極28a間及び固体電解質12bと陰極28b間の抵抗を表す。また、ヒータ電源38の印加電圧をV1、検知セル電源30の印加電圧をV2とする。
【0044】
この場合、ヒータ電源38の−端子とガス検知セル26の陰極28bが接続されているので、この点の電位を0(V)とすると、ガス検知セル26の電位は、αV1(V)(但し、αは、抵抗R1、R2、r2及びr3決まる分圧比)と表せる。一方、検知セル電源30の+端子の電位はV2(V)であるので、結局、ガス検知セル出力電流計32には、次の数1の式で表される電位差V−に対応するオフセット電流が流れることになる。
【0045】
【数1】
V−=V2−αV1
【0046】
一方、ヒータ電源38の+端子とガス検知セル26の陰極28bを接続した場合の等価回路は、図3(c)のように表すことができる。この場合、ヒータ電源38の+端子の電位を0(V)とすると、ガス検知セル26の電位は、−(1−α)V1(V)と表せる。一方、検知セル電源30の+端子の電位は、V2(V)のままであるので、結局、ガス検知セル出力電流計32には、次に数2の式で表される電位差V+に対応するオフセット電流が流れることになる。
【0047】
【数2】
V+=V2+(1−α)V1
【0048】
数1及び数2の式より、実験用検知装置10の温度を上げるために、ヒータ36に印加する電圧V1を増加させると、V+は増加し、V−は減少することがわかる。また、実験用検知装置10の温度が上昇すると、絶縁層34aの抵抗R1、R2が指数関数的に低下するので、これに応じて、オフセット電流の絶対値も増大することがわかる。さらに、ガス検知セル26に印加される電圧V2は、一般に、ヒータ36に印加される電圧V1に比べてかなり小さく、また、r2、r3、r4、r5は、R1、R2に比べて著しく小さいので、例えば、図3(a)に示すような接続状態では、リーク電圧比がほぼαに等しいとみなして開閉スイッチ42を閉じたときに流れる電流がガス検知セル出力電流計32のオフセット電流となることがわかる。
【0049】
上述した実験においては、リーク電圧比は、ガス検知セル26の温度によらず0.4〜0.6であったが、これは、実験用検知装置10の構造がほぼ対称であり、ヒータ36のほぼ電気的に中央の点から電圧がリークしているとみなせることを表している。また、ヒータ36の構造や配置が異なる場合には、リーク電圧比が異なることが予想されるが、その場合には、ヒータの構造や配置から、計算によりリーク電圧比を求めることができることを表している。
【0050】
ところで、図2に示すように、ガス検知セル26の一方の電極とヒータ電源38の一方の端子とを接続しない場合、すなわち、ガス検知回路とヒータ回路とを完全に分離した場合には、オフセット電流の絶対値及びその温度依存性を小さくすることができる。しかしながら、電磁波や電磁誘導、静電誘導による影響が著しい環境下(例えば、自動車内)で検知装置を使用する場合において、ガス検知回路とヒータ回路とを電気的に分離すると、電磁波等の電気的ノイズがガス検知セルの電気的出力に影響を及ぼす。この電気的ノイズを取り除くためにはフィルタ回路を設けることが有効であるが、フィルタ回路を設けると、検知装置としての応答性が低下し、被検知ガス濃度の急激な変化を忠実にモニタするのが困難となる。
【0051】
一方、ガス検知セル26の一方の電極とヒータ電源38の一方の端子とを接続した場合、すなわち、ガス検知回路とヒータ回路が電気的に分離していない場合には、両者間の電位が電気的に変動しないので、電気的ノイズの影響を排除することができる。しかしながら、ヒータを備えた検知装置では、ヒータ36への印加電圧がガス検知セル26及び検知電子回路にも電気的な影響を及ぼすので、ヒータ電源38とガス検知セル26の電極リードとの接続には種々の配慮が必要である。
【0052】
特に、被測定ガス中に含まれる微量のNOxを測定する場合、数μAオーダーの微少出力となるので、電気的な妨害の除去が大きな課題となる。例えば、図1に示す実験用検知装置10の場合、図2に示すように、900℃でのオフセット電流値は、数百ppmのNOx濃度に相当する大きさとなるので、オフセット電流の大きさがヒータ36への印加電圧によって変化すると、検知性能が著しく悪化することになる。また、800℃を超える温度領域では、わずかに10℃の温度変化がセンサに生ずるのみでも100ppmに近い検知誤差を生じるので、数百ppm以下の濃度検知が必要な自動車用としては使用できなくなる。
【0053】
これを除外する方法としては、例えば、検知装置の温度の安定化が考えられる。しかしながら、検知装置を自動車排ガス中で使用する場合、エンジン負荷の急変により排ガス温度も急変するので、検知装置の温度変動を10℃以内に抑えるためには、保温機構が必要となる。その結果、ガスの流通性を阻害して、応答性を著しく悪化させることとなる。
【0054】
これに対し、上述した実験から、ガス検知セル26の一方の電極とヒータ電源38の一方の端子とを接続した場合において、オフセット電流は、主にヒータ36からガス検知セル26に流れる電流リークに起因することがわかった。また、リーク電圧比は、実験用検知装置10の温度及びヒータ36に印加される電圧によらず、ほぼ一定となることがわかった。従って、ヒータ36とガス検知セル26の間に発生しているリーク電圧(図3(b)、(c)に示すαV1又は−(1−α)V1に相当する電圧)に逆方向に作用する電圧、又は、これに比例して流れる電流と逆極性の電流をガス検知セル26に印加すれば、リークに起因するオフセット電流の発生を抑制することができると考えられる。
【0055】
本発明は、このような考え方に基づくものであり、検知セル電源の一方の端子とヒータ電源の一方の端子とを接続回路で接続すると共に、この接続回路上に発生するリーク電圧、又は、ヒータからガス検知セルに流れるリーク電流を打ち消すためのリーク打消手段を設けたことを特徴とするものである。
【0056】
ここで、リーク打消手段は、リーク電圧又はリーク電流と逆方向に作用する電圧又は電流をガス検知セルに印加できるものであればよく、特に限定されるものではない。また、ガス検知セルに印加する電圧又は電流の絶対値は、リーク電圧又はリーク電流の絶対値と同一であることが望ましい。
【0057】
リーク打消手段としては、リーク電圧をガス検知セルに印加するための電圧印加手段が好適な一例として挙げられる。リーク電圧比は、主にヒータの構造によって決まるので、例えば、ヒータ電源として定電圧電源を用いる場合には、電圧印加手段として、ヒータ電源に対して一定の比率の電圧を発生する定電圧電源を用いることができる。一方、ヒータの温度制御のためにヒータへの印加電圧を変化させる必要がある場合には、電圧印加手段として、ヒータへの印加電圧の変化に応じて所定の比率で電圧を出力する電圧源や増幅器などを用いることが望ましい。
【0058】
また、電圧印加手段として、各種電圧源、増幅器などを用いる場合、電圧印加手段は、低イーンピーダンスであることが好ましい。リーク打消手段として、低インピーダンスの電圧印加手段を用いると、電磁波等の電気的ノイズの影響を受けにくくなり、ガス検知精度が向上するという利点がある。
【0059】
また、リーク打消手段は、ヒータ電源を分圧し、リーク電圧に逆方向に電圧をガス検知セルに印加する分圧手段であっても良い。分圧手段を用いてヒータ電源を分圧し、この電圧をガス検知セルに印加すると、ヒータ電源の出力変動が生じても、常に一定の比率の電圧をガス検知セルに出力できるという利点がある。また、抵抗を用いてヒータ電源を分圧する場合、抵抗と並列に静電容量を挿入すると良い。これにより、分圧回路のインピーダンスを小さくすることができ、電気的ノイズの影響を低減することができる。
【0060】
なお、ガス検知セルを用いて測定可能な被検知ガスとしては、例えば、酸素ガス、あるいは、NOx、SOx、CO、CO2、H2O等の酸素結合ガス、炭化水素(HC)等の可燃性ガスなどが挙げられるが、本発明は、被検知ガスの種類によらず、ガス検知セルと、これを加熱するヒータとを備えた検知装置であれば、いずれも適用可能であり、特に限定されるものではない。また、本発明は、1個のガス検知セルを備えた検知装置に限らず、2個以上のガス検知セルを用いて、同時に2種以上の被検知ガスを検知する検知装置に対しても適用できる。
【0061】
さらに、電気化学的セルを用いて被検知ガスの濃度を測定する方法としては、固体電解質の電気化学的な酸素ポンプ作用を利用して被検知ガスの濃度を測定する方法と、酸素濃淡電池の形成による起電力の発生を利用して被検知ガスの濃度を測定する方法とがあるが、本発明は、いずれの方法を用いた検知装置であっても適用可能であり、特に限定されるものではない。以下に、リーク打消手段を備えた検知装置について、実施例に基づいて具体的に説明する。
【0062】
【実施例】
(実施例1)
図4に、実施例1に係る検知装置50の断面図を示す。図4において、検知装置50は、ガス検知セル26の陰極28bとヒータ電源38の−側端子とを接続回路52で接続し、接続回路52上にヒータ36とガス検知セル26との間に発生しているリーク電圧に逆方向に電圧を印加するための打消電源54を設けたことを特徴とするものである。その他の点については、図1に示す実験用検知装置10と同一の構成を有しているので、説明を省略する。
【0063】
なお、図4に示す検知装置50について、ガス検知セル26の温度を800℃以上に加熱し、リーク電圧比を予め測定したところ、0.53であった。従って、本実施例において、打消電源54には、ヒータ電源38の印加電圧の0.53倍の電圧を発生させる低インピーダンスの電圧源を用いた。
【0064】
この検知装置50を用いて、上述した実験と同一の条件下で、オフセット電流を測定した。結果を図5に示す。なお、図5には、比較として、上述した実験において得られた図2の結果(ガス検知セル26の陰極28bとヒータ電源38の−端子とを単に接続した場合のオフセット電流)も併せて示した。
【0065】
図5より、接続回路52上に打消電源54を設けると、ガス検知セル26の加熱温度が700〜900℃と大幅に変化しても、オフセット電流の変化が著しく小さくなっていることがわかる。また、打消電源54として、低インピーダンスの電源を用いたために、ガス検知セル26及び電流検出部への電磁誘導などの影響は見られず、検知精度が大幅に向上した。
【0066】
(実施例2)
図6に、実施例2に係る検知装置60の断面図を示す。図6において、検知装置60は、実施例1の検知装置50で用いた打消電源54に代えて、ヒータ電源38を分圧し、リーク電圧に逆方向に電圧をガス検知セル26に印加する抵抗62を接続回路52上に設けたことを特徴とするものである。
【0067】
また、本実施例では、抵抗62によって、ヒータ電源38の−端子から抵抗62を経てガス検知セル26の陰極28bに至る接続回路52のインピーダンスが高まることを避けるために、抵抗62と並列に静電容量64を挿入し、これを分圧手段として用いた。なお、本実施例では、抵抗62は、2kΩのものを用いたが、100Ωから100kΩの間の抵抗値が適用できる。また、その他の点は、図4に示す検知装置50と同一の構成を有しているので、説明を省略する。
【0068】
この検知装置60を用いて、抵抗62の分圧比を0.4から0.6まで変化させて、オフセット電流の温度依存性を調べた。なお、その他の測定条件は、上述した実験と同一とした。結果を図7に示す。
【0069】
図7より、オフセット電流の温度依存性は、抵抗62の分圧比に従って変化しており、抵抗62の分圧比を0.45から0.55の間とすると、オフセット電流の温度依存性が小さくなることがわかる。特に、分圧比が0.5付近では、オフセット電流の温度依存性が極めて小さくなることがわかった。
【0070】
雰囲気温度が変化した場合、ガス検知セル26の温度を一定に制御するためには、ヒータ36への印加電圧をフィードバック制御のように変化させる必要がある。本実施例では、ヒータ電源38を抵抗62で分圧しているので、このような場合であっても、ヒータ36への印加電圧の変化に応じた一定比率の電圧が容易に得られる利点がある。
【0071】
特に、ガス検知セル26の温度を一定に制御するためにヒータ36への印加電圧が矩形波のように時間的に変化する場合には、ヒータ36からのリーク電流は、大きな振幅を伴った交流電流となる。従来の検知装置では、この交流電流がガス検知セル26の出力電流に重畳することとなるので、フィルタ回路や高速に切り替えるスイッチを用いて、ガス濃度に対応しない電流成分を除外せざるを得ない。そのため、検知装置としての応答性が低下したり、時間的に連続した出力電流が得られないという問題がある。しかしながら、本実施例の場合、このようなことがなく、簡便な方法により、検知精度を大幅に向上させることができる。
【0072】
(実施例3)
図8に、実施例3に係る検知装置70の断面図を示す。図7において、検知装置70は、ガス検知セル26に加えて、ガス導入チャンバ16内に導入された被測定ガス中の残留酸素濃度を検知するための酸素検知セル72を備えている。
【0073】
酸素検知セル72は、固体電解質12bと、その両面に形成された電極74a、74bからなり、ガス検知セル26に隣接して配置されている。また、電極74aは、大気導入セル18側に設けられ、電極74bは、ガス導入チャンバ16側に設けられている。
【0074】
酸素検知セル72は、電極74aと電極74bの間に発生する起電力を酸素濃度検知出力電圧計76で計測することにより、ガス導入チャンバ16内の残留酸素濃度を検知する電気化学的セルである。酸素濃度検知出力電圧計76で計測された値は、酸素ポンプセル20に電圧を印加するポンプセル電源25にフィードバックされ、ガス導入チャンバ16内の酸素濃度が一定に保たれるように、ポンプセル電源25による印加電圧が制御されるようになっている。
【0075】
さらに、検知装置70においては、ヒータ36から酸素検知セル72へのリーク電圧の影響を除外するために、ヒータ電源38の−端子と、ガス導入チャンバ16側に設けられた酸素検知セル72の電極74bとを接続回路77で接続し、接続回路77上には、酸素検知セル72用の第2打消電源78が設けられている。
【0076】
なお、ヒータ36から酸素検知セル72へのリーク電圧比を予め測定したところ、ほぼ0.5であったので、第2打消電源78には、ヒータ電源38により印加される電圧の0.5倍の電圧を発生させる電圧源を用いた。その他の点は、図4に示す検知装置50と同一の構成を有しているので、説明を省略する。
【0077】
本実施例では、ヒータ36からガス検知セル26へのリーク電圧の影響を除外するための打消電源54と、ヒータ36から酸素検知セル72へのリーク電圧の影響を除外するための第2打消電源78とを備えているので、被測定ガスに含まれるNOx等の被検知ガス及び残留酸素濃度を高精度で検知できる。従って、この残留酸素濃度に対応するオフセット電流を、ガス検知セル26の出力電流から差し引けば、被検知ガスの検知精度をさらに向上させることができる。
【0078】
また、例えば、自動車の排ガス中に含まれるNOxガス濃度を測定する場合、エンジン負荷が急変すると、排ガス中の酸素濃度が大きく変化し、ガス検知セル26に到達する被測定ガス中の残留酸素濃度が変動するおそれがある。一方、本実施例によれば、酸素検知セル72で検知された酸素濃度に基づき、ポンプセル電源25の印加電圧がフィードバック制御されるので、被測定ガス中の残留酸素濃度を一定に維持することができる。そのため、被測定ガスの組成が大きく変動する場合であっても、残留酸素濃度に起因するオフセット電流が一定の値に維持され、被検知ガスの検知精度をさらに向上させることができる。
【0079】
(実施例4)
図9に、実施例4に係る検知装置80の断面図を示す。図9において、検知装置80は、実施例1の検知装置50で用いた検知セル電源30及びガス検知セル出力電流計32に代えて、ガス検知セル26の陽極28a及び陰極28b間にガス検知セル出力電圧計82を接続したことを特徴とするものである。この場合、被検知ガス濃度は、酸素濃淡電池の形成により陽極28a及び陰極28b間に発生する起電力の大きさから計測される。
【0080】
なお、本実施例においては、実施例1と同様の構造のヒータ36を用いているので、打消電源54には、ヒータ36への印加電圧のほぼ0.5倍の電圧を発生させる電圧源を用いた。また、その他の点は、実施例1の検知装置50と同一の構成を有しているので、説明を省略する。
【0081】
図9において、打消電源54を取り除いた状態で微量の被検知ガスの濃度を測定する場合、ガス検知セル出力電圧計82からの起電力出力に比較して、ヒータ36からのリーク電圧が著しく大きくなる。また、リーク電圧が発生することによって、ガス検知セル26にはリーク電流が流れる。そのため、ガス検知セル出力電圧計82からの起電力出力には、被検知ガスの濃度に対応しない起電力成分を含むものとなり、被検知ガスの検知精度が大幅に低下する。
【0082】
これに対し、本実施例では、打消電源54によりリーク電圧の影響が除外されるので、ガス検知セル出力電圧計82からの起電力出力は、被検知ガスの濃度に対応した起電力成分のみとなる。そのため、排ガス中に含まれるNOxガスのように、被検知ガス濃度が極めて低い場合であっても、被検知ガスを高精度に検出することができる。
【0083】
以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能である。
【0084】
例えば、上記実施例では、NOxガスなどの酸素結合ガスを被検知ガスとする場合について主に説明したが、炭化水素等の可燃性ガスを被検知ガスとする場合も同様であり、本発明を適用することによって、検知精度を大幅に向上させることができる。
【0085】
また、例えば、実施例2では、ヒータ電源を分圧しているが、検知装置に備えられるヒータ電源以外の電圧源を分圧し、接続回路を介して、リーク電圧に逆方向に電圧をガス検知セルに印加するようにしてもよい。
【0086】
また、例えば、実施例3では、大気導入チャンバ18側に大気を導入し、大気を基準として残留酸素濃度を計測しているが、酸素濃度測定の基準となる電極を形成するための電気化学的セルを検知装置内に設け、その電極を基準極として残留酸素濃度を計測しても良い。この場合、リーク打消手段により、基準極に発生するリーク電圧又はリーク電流を相殺すれば、残留酸素濃度の検知精度を向上させることができる点は、実施例3と同様である。
【0087】
さらに、実施例3において、ヒータ36からガス検知セル26へのリーク電圧の大きさ、及び、ヒータ36から酸素検知セル72へのリーク電圧の大きさがほぼ同一である場合には、打消電源54と第2打消電源74とを共用しても良く、これにより上記実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【0088】
【発明の効果】
本発明は、固体電解質の両面に電極が形成された、被測定ガスに含まれる酸素を排出する酸素ポンプセルと、固体電解質の両面に電極が形成されたガス検知セルと、ガス検知セルに電圧を印加する検知セル電源と、ガス検知セルを加熱するためのヒータと、ヒータに電力を供給するヒータ電源とを備えたNOxセンサにおいて、検知セル電源の一方の端子と、ヒータ電源の一方の端子とを接続する接続回路と、接続回路上に設けられた、ヒータとガス検知セルの間に発生するリーク電圧、又は、ヒータからガス検知セルに流れるリーク電流を打ち消すためのリーク打消手段とをさらに備え、リーク打消手段の端子間電圧を、ヒータ電源の端子間電圧の0.4〜0.6倍となるように構成しているので、急激な温度変動を伴う高温度の使用環境下においても、リーク電圧又はリーク電流に起因するオフセット電流の影響が除外され、NOxガスの検知精度が向上するという効果がある。また、ヒータ回路とガス検知回路とが電気的に分離していないので、電気的ノイズの影響を受けにくく、応答性が低下することもない。
【0089】
また、リーク打消手段として、リーク電圧に逆方向に電圧をガス検知セルに印加する電圧印加手段、又は、ヒータ電源を分圧し、リーク電圧に逆方向に電圧をガス検知セルに印加する分圧手段を用いた場合には、ヒータへの印加電圧の変動によってリーク電圧が変動する場合であっても、簡単な構造によって、オフセット電流の絶対値及びその温度変動を低減できるという効果がある。
【0090】
以上のように本発明によれば、保護電極を用いることなくリーク電流に起因するオフセット電流を低減できるので、簡易な構成の検知装置が得られ、しかも、微少電流出力、微少電圧出力のガス検知セルであっても高精度に被検知ガスの濃度を測定できるので、これを例えば自動車のエンジンの燃焼制御、自動車の排ガス中に含まれるNOxガス濃度の検出等に用いれば、排ガスの浄化や燃費の向上等に寄与するものであり、産業上、その効果の極めて大きな発明である。
【図面の簡単な説明】
【図1】 実験用検知装置の断面図である。
【図2】 オフセット電流に及ぼすヒータ電源端子とガス検知セルの電極との接続状態、並びに加熱温度の影響を示す図である。
【図3】 図3(a)は、図1に示す実験用検知装置の縦断面図であり、図3(b)及び図3(c)は、それぞれ、ヒータ電源の−端子とガス検知セルの陰極を接続する場合、及び、ヒータ電源の+端子とガス検知セルの陰極を接続する場合の実験用検知装置の等価回路を示す図である。
【図4】 実施例1に係る検知装置の断面図である。
【図5】 図4に示す検知装置のオフセット電流の温度依存性を示す図である。
【図6】 実施例2に係る検知装置の断面図である。
【図7】 図6に示す検知装置のオフセット電流に及ぼす分圧比及び加熱温度の影響を示す図である。
【図8】 実施例3に係る検知装置の断面図である。
【図9】 実施例4に係る検知装置の断面図である。
【符号の説明】
12a、12b 固体電解質
26 ガス検知セル
28a 陽極(電極)
28b 陰極(電極)
36 ヒータ
38 ヒータ電源
50、60、70、80 ガス濃度検知装置(検知装置)
54、78 打消電源(電圧印加手段)
62 抵抗(分圧手段)[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a gas concentration detection device, and more specifically, oxygen gas, NOx, SOx, CO, CO, contained in combustion exhaust gas discharged from a boiler, an automobile or the like.2, H2The present invention relates to a gas concentration detection device that detects the concentration of an oxygen-bonded gas such as O or a combustible gas such as hydrocarbon (HC).
[0002]
[Prior art]
In recent years, the amount of nitrogen oxides (NOx), carbon monoxide (CO), various hydrocarbons (HC), etc. discharged from various combustion devices such as gasoline and diesel vehicles, boilers, etc. can be made. As much as possible, reduction is a problem, and various gas concentration detection devices for controlling the amount of these gases discharged from a combustion device or the like and monitoring the operation of the exhaust gas purification device have been proposed.
[0003]
Above all, the gas concentration using oxygen pumping action of oxygen ion conductive solid electrolyte represented by stabilized zirconia (hereinafter, simply referred to as “solid electrolyte”) or generation of electromotive force due to formation of oxygen concentration cell. Since the detection device is small and has a relatively simple structure, the NOx sensor for monitoring the amount of NOx gas contained in the exhaust gas of the automobile, and the ratio of air to fuel sent to the engine of the automobile are managed. It is used for oxygen sensors.
[0004]
In general, a high temperature (for example, about 600 ° C. or more in the case of stabilized zirconia) is required for the solid electrolyte to exhibit oxygen ion conductivity. Therefore, a gas concentration detection device using a solid electrolyte usually includes an electrochemical cell in which electrodes are formed on both sides of the solid electrolyte, and a heater for heating the electrochemical cell, and the electrochemical cell and the heater. Has a structure in which an insulating layer is interposed therebetween.
[0005]
However, when the gas concentration detector is heated to a high temperature using a heater, an offset current that does not correspond to the component concentration of a specific gas (detected gas) contained in the gas to be measured may flow. If the offset current or the value of the voltage generated corresponding thereto is larger than the value of the current or voltage output from the electrochemical cell, or the offset current depending on the operating state of the gas concentration detector. When the value fluctuates greatly, it may cause a significant decrease in gas detection accuracy.
[0006]
For example, a gas concentration detection device for detecting the concentration of a small amount of NOx gas contained in exhaust gas detects a small amount of NOx gas contained in the exhaust gas without being affected by oxygen, which is the main component of the exhaust gas. In general, an electrochemical cell for removing oxygen from the gas to be measured (hereinafter referred to as “oxygen pump cell”) and a gas to be detected included in the gas to be measured from which oxygen has been removed. (In this case, an electrochemical cell (hereinafter referred to as “gas detection cell”) for detecting NOx gas is provided.
[0007]
Since the concentration of NOx contained in the exhaust gas is usually several hundred ppm or less, when such a low concentration of NOx is measured by a gas concentration detector, its output is on the order of μA. However, in this type of gas concentration detection device, even if the gas to be measured having a NOx concentration of 0 ppm is supplied and the oxygen concentration in the gas to be measured is controlled to be, for example, 1 ppm or less by the oxygen pump cell, the offset flowing into the gas detection cell The current value may be a value corresponding to 100 ppm, which is much higher than a value corresponding to 1 ppm.
[0008]
This offset current is considered to occur due to various causes. For example, it is said that a small amount of oxygen diffuses and penetrates into the gas detection cell due to insufficient airtightness of the solid electrolyte laminate, thereby causing an offset current to flow. In addition, for example, it is said that when the gas detection cell becomes high temperature, a small amount of electron conduction occurs in the solid electrolyte constituting the cell, and this appears as an offset current. Alternatively, it is said that a leak current from the heater is applied to the gas detection cell and appears as an offset current.
[0009]
In order to reduce the value of the offset current or to maintain the value of the offset current at a constant value, various methods have been conventionally proposed. For example, Japanese Patent Laid-Open No. 10-318979 proposes a gas sensor in which a heater pattern is dense on the front main pump cell (oxygen pump cell) side and rough on the rear measurement pump cell (gas detection cell) side. Yes. Further, the publication proposes a gas sensor provided with a heater control means for controlling the power of the heater so that the impedance of the solid electrolyte constituting the measurement pump cell is constant.
[0010]
Also, for example, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-23521, a heater power supply unit that supplies power to a heater and a cell power supply unit that applies a voltage to a cell are electrically separated using an insulated DC-DC converter. A method of driving a heating chemical sensor is disclosed.
[0011]
Furthermore, in Japanese Patent Publication No. 6-84950, a second solid electrolyte provided with a protective electrode is disposed between a heating unit provided with a heater and an electrochemical cell (gas detection cell), and electrochemical An electrochemical device in which at least one electrode of a static cell and a protective electrode are electrically connected is disclosed.
[0012]
[Problems to be solved by the invention]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-318979 discloses that if the temperature of the gas detection cell is lowered to 700 ° C. by changing the heater pattern, the resistivity of the electron conduction of the solid electrolyte can be increased to 1 MΩ or more. It is disclosed that the offset value due to the electron conduction can be reduced. However, since the temperature of the gas detection cell usually rises to near the exhaust gas temperature, the temperature of the gas detection cell also rises to 700 ° C. or higher under the exhaust gas conditions of automobiles generally exceeding 700 ° C. Therefore, this method cannot be expected to greatly reduce the offset value.
[0013]
In addition, in this publication, when the impedance of the solid electrolyte constituting the gas detection cell is controlled to be constant using the heater control means, the temperature of the solid electrolyte can be kept constant. It is disclosed that the offset current can be kept constant. However, since there is a delay in heat conduction between the gas detection cell and the heater, there is an upper limit on the temperature control speed. Therefore, when the engine load of a car changes greatly and the exhaust gas temperature changes suddenly, even if the power control of the heater is performed precisely, the temperature of the gas detection cell cannot be avoided and the offset value is kept constant. It is difficult to do.
[0014]
Moreover, in the gas concentration detection apparatus provided with the heater, it is desirable that the electrical insulation between the heater and the gas detection cell is as high as possible. Therefore, a method of covering the periphery of the heating element with an insulator or providing the heating element on the electric insulator is employed. However, since the insulating property of an insulating material such as alumina decreases exponentially in a high temperature range exceeding 800 ° C., the voltage applied to the heater leaks to the gas detection cell via the insulating layer although it is a small amount. In addition, the leak current or the leak voltage generated thereby greatly fluctuates due to slight temperature fluctuations, so that if the output of the gas detection cell is very small, the gas detection performance is significantly reduced.
[0015]
In order to solve this problem, Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-23521 discloses that the heater circuit and the gas detection circuit are electrically separated. However, in a state where both circuits are electrically separated, electrical noise such as electromagnetic waves, electromagnetic induction, and electrostatic induction generated from an automobile ignition system or the like is likely to be applied to the gas detection cell and the current detection unit. Therefore, these components that do not correspond to the gas concentration must be excluded by the filter circuit, and the responsiveness as the gas concentration detection device is lowered. Even if the two circuits are separated, the insulation between the heater circuit and the gas detection circuit decreases in a high humidity environment, etc., so that the leakage current also increases and the detection accuracy as a gas concentration detection device decreases. .
[0016]
On the other hand, as disclosed in Japanese Examined Patent Publication No. 6-84950, it is conceivable to provide a protective electrode in the heater to remove leakage current from the heater. However, in order to enhance the shielding effect, it is necessary to dispose a protective electrode in the vicinity of the joint surface between the gas detection cell and the heater, and there is a problem that the strength of the joint portion is lowered. In order to avoid this, when a protective electrode is provided in the heater portion, the sensor structure becomes complicated and expensive in order to obtain a complete shielding effect.
[0017]
The problem to be solved by the present invention is that the absolute value of the offset current flowing through the gas detection cell and its temperature dependency are small, the concentration of the gas to be detected can be detected with high accuracy, and the response is excellent.NOx sensorIs to provide.
[0018]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-described problems, the present invention provides an oxygen pump cell that discharges oxygen contained in a gas to be measured, in which electrodes are formed on both surfaces of a solid electrolyte, and a gas detection cell in which electrodes are formed on both surfaces of the solid electrolyte. A NOx sensor comprising: a detection cell power source for applying a voltage to the gas detection cell; a heater for heating the gas detection cell; and a heater power source for supplying power to the heater. A connection circuit that connects one terminal and one terminal of the heater power supply, a leakage voltage that is provided on the connection circuit and is generated between the heater and the gas detection cell, or from the heater A leak canceling means for canceling the leak current flowing through the gas detection cell;The leak canceling means is a voltage dividing means for dividing the heater power supply and applying a voltage to the gas detection cell in a direction opposite to the leak voltage,The gist of the invention is that the terminal voltage of the leak canceling means is configured to be 0.4 to 0.6 times the terminal voltage of the heater power supply.
[0019]
According to the present invention having the above configurationNOx sensorSince the heater circuit and the gas detection circuit are connected by the connection circuit, the influence of electrical noise caused by electromagnetic waves or the like can be eliminated without using a filter circuit or the like. Further, since the voltage or current is applied to the gas detection cell in the direction opposite to the leak voltage or leak current by the leak canceling means, the absolute value of the offset current and the temperature dependence thereof due to the leak can be suppressed to a small value. for that reason,NOx sensorWithout reducing the responsiveness ofNOxGas detection accuracy can be improved.
[0020]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
First, by using a gas concentration detection device (hereinafter referred to as a “detection device”) having a gas detection cell and a heater for heating the gas detection cell, the heater operation is affected by the offset current of the gas detection cell. An experiment was conducted to examine whether it had an effect. First, the configuration of the detection device used in the experiment (hereinafter referred to as “experimental detection device”) will be described.
[0021]
FIG. 1 shows a cross-sectional view of the experimental detection apparatus. In FIG. 1, an
[0022]
A
[0023]
The diffusion
[0024]
The
[0025]
The
[0026]
The
[0027]
The
[0028]
Further, the
[0029]
Next, a general method for detecting the oxygen-bonded gas contained in the gas to be measured using the
[0030]
The gas to be measured that has flowed in from the diffusion
[0031]
Further, the measurement gas from which the oxygen concentration has been removed reaches the
[0032]
Next, the experimental procedure will be described. The
[0033]
A voltage of 9 to 13 V was applied to the
[0034]
Therefore, in this operating state, the atmosphere of the
[0035]
In this state, the open /
[0036]
As shown in FIG. 2, when the positive terminal of the
[0037]
In addition, when the
[0038]
On the other hand, when the
[0039]
Next, in order to examine the path through which the offset current flows, the
[0040]
As a result, it was found that a voltage 0.4 to 0.6 times the voltage applied to the
[0041]
The reason why the above results are obtained can be considered as follows. FIG. 3A shows a longitudinal sectional view of the
[0042]
Since the insulating
[0043]
If this
[0044]
In this case, since the minus terminal of the
[0045]
[Expression 1]
V−= V2-ΑV1
[0046]
On the other hand, an equivalent circuit when the positive terminal of the
[0047]
[Expression 2]
V+= V2+ (1-α) V1
[0048]
From the equations (1) and (2), the voltage V applied to the
[0049]
In the above-described experiment, the leak voltage ratio was 0.4 to 0.6 regardless of the temperature of the
[0050]
By the way, as shown in FIG. 2, when one electrode of the
[0051]
On the other hand, when one electrode of the
[0052]
In particular, when a very small amount of NOx contained in the gas to be measured is measured, the output becomes very small on the order of several μA. For example, in the case of the
[0053]
As a method of excluding this, for example, stabilization of the temperature of the detection device can be considered. However, when the detection device is used in automobile exhaust gas, the exhaust gas temperature also changes suddenly due to an abrupt change in engine load. Therefore, in order to keep the temperature fluctuation of the detection device within 10 ° C., a heat retention mechanism is required. As a result, the gas flowability is hindered, and the responsiveness is remarkably deteriorated.
[0054]
On the other hand, from the above-described experiment, when one electrode of the
[0055]
The present invention is based on such a concept,One terminal of the detection cell power supplyOne terminal of the heater power supply is connected by a connection circuit, and a leak canceling means for canceling a leak voltage generated on the connection circuit or a leak current flowing from the heater to the gas detection cell is provided. To do.
[0056]
Here, the leak canceling means is not particularly limited as long as it can apply a voltage or current acting in the opposite direction to the leak voltage or leak current to the gas detection cell. In addition, the absolute value of the voltage or current applied to the gas detection cell is preferably the same as the absolute value of the leak voltage or leak current.
[0057]
A suitable example of the leak canceling means is a voltage applying means for applying a leak voltage to the gas detection cell. Since the leakage voltage ratio is mainly determined by the structure of the heater, for example, when a constant voltage power source is used as the heater power source, a constant voltage power source that generates a voltage at a constant ratio with respect to the heater power source is used as a voltage applying unit. Can be used. On the other hand, when it is necessary to change the voltage applied to the heater for the temperature control of the heater, a voltage source that outputs a voltage at a predetermined ratio in accordance with the change in the voltage applied to the heater is used as a voltage application unit. It is desirable to use an amplifier or the like.
[0058]
Moreover, when using various voltage sources, amplifiers, etc. as a voltage application means, it is preferable that a voltage application means is a low impedance. If a low impedance voltage applying means is used as the leak canceling means, there is an advantage that the gas detection accuracy is improved because it is less susceptible to electrical noise such as electromagnetic waves.
[0059]
The leak canceling means may be a voltage dividing means that divides the heater power supply and applies a voltage to the gas detection cell in a direction opposite to the leak voltage. When the heater power supply is divided using a voltage dividing means and this voltage is applied to the gas detection cell, there is an advantage that a constant ratio of voltage can always be output to the gas detection cell even if the output of the heater power supply fluctuates. Further, when the heater power supply is divided using a resistor, it is preferable to insert a capacitance in parallel with the resistor. Thereby, the impedance of the voltage dividing circuit can be reduced, and the influence of electrical noise can be reduced.
[0060]
Examples of gas to be detected that can be measured using the gas detection cell include oxygen gas, NOx, SOx, CO, and CO.2, H2Examples include oxygen-bonded gases such as O and flammable gases such as hydrocarbons (HC), but the present invention includes a gas detection cell and a heater for heating the gas detection cell, regardless of the type of gas to be detected. Any detection device can be applied and is not particularly limited. In addition, the present invention is not limited to a detection apparatus having one gas detection cell, and is also applied to a detection apparatus that detects two or more types of detected gases at the same time using two or more gas detection cells. it can.
[0061]
Furthermore, as a method of measuring the concentration of the gas to be detected using an electrochemical cell, a method of measuring the concentration of the gas to be detected using the electrochemical oxygen pump action of the solid electrolyte, Although there is a method for measuring the concentration of a gas to be detected by utilizing generation of electromotive force due to formation, the present invention is applicable to any detection device using any method and is particularly limited. is not. Below, the detection apparatus provided with the leak cancellation means is demonstrated concretely based on an Example.
[0062]
【Example】
Example 1
FIG. 4 is a cross-sectional view of the
[0063]
In addition, about the
[0064]
Using this
[0065]
As can be seen from FIG. 5, when the canceling
[0066]
(Example 2)
FIG. 6 is a cross-sectional view of the
[0067]
Further, in this embodiment, in order to avoid an increase in impedance of the
[0068]
Using this
[0069]
From FIG. 7, the temperature dependence of the offset current changes according to the voltage dividing ratio of the
[0070]
When the ambient temperature changes, in order to control the temperature of the
[0071]
In particular, when the voltage applied to the
[0072]
(Example 3)
FIG. 8 is a cross-sectional view of the
[0073]
The
[0074]
The
[0075]
Further, in the
[0076]
The leak voltage ratio from the
[0077]
In the present embodiment, a
[0078]
Further, for example, when measuring the concentration of NOx gas contained in the exhaust gas of an automobile, if the engine load changes suddenly, the oxygen concentration in the exhaust gas changes greatly, and the residual oxygen concentration in the measured gas that reaches the
[0079]
(Example 4)
FIG. 9 is a cross-sectional view of the
[0080]
In the present embodiment, since the
[0081]
In FIG. 9, when measuring the concentration of a small amount of gas to be detected with the
[0082]
On the other hand, in the present embodiment, the influence of the leakage voltage is excluded by the
[0083]
Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
[0084]
For example, in the above embodiment, the case where oxygen-bonded gas such as NOx gas is used as the detection gas has been mainly described, but the same applies to the case where flammable gas such as hydrocarbon is used as the detection gas. By applying, detection accuracy can be greatly improved.
[0085]
Further, for example, in the second embodiment, the heater power supply is divided, but a voltage source other than the heater power supply provided in the detection device is divided, and the voltage is detected in the reverse direction to the leak voltage via the connection circuit. You may make it apply to.
[0086]
Further, for example, in Example 3, the atmosphere is introduced into the
[0087]
Furthermore, in the third embodiment, when the magnitude of the leak voltage from the
[0088]
【The invention's effect】
The present inventionAn oxygen pump cell that discharges oxygen contained in the gas to be measured, with electrodes formed on both sides of the solid electrolyte;A gas detection cell having electrodes formed on both sides of the solid electrolyte;A detection cell power source for applying a voltage to the gas detection cell;A heater for heating the gas detection cell and a heater power supply for supplying power to the heater were provided.NOx sensorInOne terminal of the detection cell power supply,A connection circuit that connects one terminal of the heater power supply, and a leakage voltage that is provided between the heater and the gas detection cell or that leaks from the heater to the gas detection cell. And a leak canceling means.The terminal voltage of the leak canceling means is configured to be 0.4 to 0.6 times the voltage between the terminals of the heater power supply.So, even under high temperature usage environment with sudden temperature fluctuation, the influence of offset current due to leakage voltage or leakage current is excluded,NOxThe gas detection accuracy is improved. In addition, since the heater circuit and the gas detection circuit are not electrically separated, they are not easily affected by electrical noise, and the responsiveness does not deteriorate.
[0089]
Further, as a leak canceling means, a voltage applying means for applying a voltage to the gas detection cell in a direction opposite to the leakage voltage, or a voltage dividing means for dividing the heater power supply and applying a voltage to the gas detection cell in the opposite direction to the leakage voltage. Is used, there is an effect that the absolute value of the offset current and its temperature fluctuation can be reduced with a simple structure even when the leakage voltage fluctuates due to the fluctuation of the voltage applied to the heater.
[0090]
As described above, according to the present invention, offset current due to leakage current can be reduced without using a protective electrode, so that a detection device with a simple configuration can be obtained, and gas detection of minute current output and minute voltage output can be achieved. Even if it is a cell, the concentration of the gas to be detected can be measured with high accuracy. For example, if this is used for combustion control of an automobile engine, detection of the concentration of NOx gas contained in the exhaust gas of an automobile, etc. This is an invention that is extremely effective in terms of industry.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of an experimental detection apparatus.
FIG. 2 is a diagram showing the influence of a heating temperature and a connection state between a heater power supply terminal and a gas detection cell electrode on an offset current.
3 (a) is a longitudinal sectional view of the experimental detection apparatus shown in FIG. 1, and FIGS. 3 (b) and 3 (c) show a heater power source minus terminal and a gas detection cell, respectively. It is a figure which shows the equivalent circuit of the detection apparatus for experiment in the case of connecting the cathode of this, and the case where the + terminal of a heater power supply and the cathode of a gas detection cell are connected.
4 is a cross-sectional view of the detection device according to Embodiment 1. FIG.
FIG. 5 is a diagram showing temperature dependence of offset current of the detection device shown in FIG. 4;
FIG. 6 is a cross-sectional view of a detection device according to a second embodiment.
7 is a diagram showing the influence of the partial pressure ratio and the heating temperature on the offset current of the detection device shown in FIG. 6. FIG.
FIG. 8 is a cross-sectional view of a detection device according to a third embodiment.
FIG. 9 is a cross-sectional view of a detection device according to a fourth embodiment.
[Explanation of symbols]
12a, 12b Solid electrolyte
26 Gas detection cell
28a Anode (electrode)
28b Cathode (electrode)
36 Heater
38 Heater power supply
50, 60, 70, 80 Gas concentration detector (detector)
54, 78 Counter power supply (voltage application means)
62 Resistance (voltage dividing means)
Claims (1)
前記検知セル電源の一方の端子と、前記ヒータ電源の一方の端子とを接続する接続回路と、
該接続回路上に設けられた、前記ヒータと前記ガス検知セルの間に発生するリーク電圧、又は、前記ヒータから前記ガス検知セルに流れるリーク電流を打ち消すためのリーク打消手段とをさらに備え、
前記リーク打消手段は、前記ヒータ電源を分圧し、前記リーク電圧に逆方向に電圧を前記ガス検知セルに印加するための分圧手段であり、
前記リーク打消手段の端子間電圧を、前記ヒータ電源の端子間電圧の0.4〜0.6倍となるように構成したことを特徴とするNOxセンサ。An oxygen pump cell that discharges oxygen contained in the gas to be measured with electrodes formed on both sides of the solid electrolyte, a gas detection cell with electrodes formed on both sides of the solid electrolyte, and detection that applies a voltage to the gas detection cell In a NOx sensor comprising a cell power source, a heater for heating the gas detection cell, and a heater power source for supplying power to the heater,
A connection circuit for connecting one terminal of the detection cell power source and one terminal of the heater power source;
A leak canceling means for canceling a leak voltage generated between the heater and the gas detection cell, or a leak current flowing from the heater to the gas detection cell, provided on the connection circuit;
The leak canceling means is a voltage dividing means for dividing the heater power supply and applying a voltage to the gas detection cell in a direction opposite to the leak voltage,
A NOx sensor characterized in that the terminal voltage of the leak canceling means is 0.4 to 0.6 times the terminal voltage of the heater power supply.
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