JPH08510560A - ガス中の酸素含量検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、測定電極、固体電解質及び基準電極を有する、少なくとも１つの濃淡電池を具備しており、測定電極は、測定ガスと接触しており、基準ガス体積と接触している基準電極に、固体電解質を介して接続されており、基準ガス体積と測定ガスとの間の粒子交換が少なくとも阻害されるように、基準ガス体積が測定ガスから分離されており、測定電極と基準電極との間で取り出される濃淡電池の出力電圧が、測定ガスの酸素濃度と基準ガス体積の酸素濃度の差の尺度を示し、結合状態で電流が生じるように、基準電極と測定電極との間で結合される電流源を具備しており、前記電流は、固体電解質の中で酸素が測定電極から基準電極に運ばれるような方向に流れ、スイッチを具備しており、第１の切換状態では、電流源を濃淡電池と結合し、第２の切換状態では、電流源を濃淡電池から分離し、従って分離状熊では、測定電極と基準電極との間の電圧は、電流源の影響を受けない、測定ガスの酸素含量検出装置に関する。

Description

【発明の詳細な説明】 ガス中の酸素含量検出装置 技術分野 本発明は、ガス例えば内燃機関の排気ガス中の酸素含量検出装置に関する。 従来技術 例えばＺｒＯ₂セラミックから成る濃淡電池を用いて、基準大気中の基準酸素 含量に対比して、排気ガスの酸素含量を測定することが公知である。基準大気は 、例えば周囲と隔離されているか又はほぼ隔離されている体積の周囲大気又は基 準ガスによって形成される。排気ガスと基準ガスの酸素分圧が異なる際に、電池 は起電力Ｕｎを発生する。この起電力Ｕｎは、ネルンストの式に相応して、酸素 分圧の商の対数に依存する。公知の基準ガス組成の場合、起電力Ｕｎは電池の測 定電極を介して取り出され、排気ガスの酸素含量の尺度として用いられる。その 場合、制限されている基準ガス体積と関連して、問題が生じる。つまり、基準ガ スの組成が変わってしまう。拡散プロセスにより、例えば酸素濃度が補償され、 ひいては起電力Ｕｎが消失する。このことを回避するために、例えばドイツ特許 出願公開公報第２９０６４５９号から、定電流源を用いて測定電極を介して濃淡 電池にポンプ電流Ｉｐを供給 することが公知である。このポンプ電流は、基準ガス体積に絶えず酸素が排気ガ スから供給されるようにする。このようにして一方では、酸素分圧の差を保持で き、他方では、前記ポンプ電流Ｉｐにより、電解質及び電極の電気抵抗Ｒｉに関 連して、電圧降下Ｒｉ＊Ｉｐが生じる。この電圧降下Ｒｉ＊Ｉｐは、電池の起電 力Ｕｎを付加的に総合信号Ｕｎ＋Ｒｉ＊Ｉｐに重畳する。 発明が解決しようとする課題 本発明の課題は、ガス中の酸素含量検出方法及び装置において、抵抗Ｒｉが温 度に依存するために有効信号Ｕｎのノイズを形成する付加的な偏差Ｒｉ＊Ｉｐを 除去することである。 課題を解決するための手段 上記課題は本発明により、測定電極、固体電解質及び基準電極を有する、ネル ンスト原理によって作動する少なくとも１つの濃淡電池を具備しており、 測定電極は、測定ガスと接触しており、基準ガス体積と接触している基準電極 に、固体電解質を介して接続されており、 基準ガス体積と測定ガスとの間の粒子交換が少なくとも阻害されるように、基 準ガス体積が測定ガスから分離されており、 測定電極と基準電極との間で取り出される濃淡電池の出力電圧が、測定ガスの 酸素濃度と基準ガス体積の 酸素濃度の差の尺度を示し、 結合状態で電流が生じるように、基準電極と測定電極との間で結合される電流 源を具備しており、前記電流は、固体電解質の中で酸素が測定電極から基準電極 に運ばれる方向に流れ、 スイッチを具備しており、第１の切換状態では、電流源を濃淡電池と結合し、 第２の切換状態では、電流源を濃淡電池から分離し、従って分離状態では、測定 電極と基準電極との間の電圧は、電流源の影響を受けない、測定ガスの酸素含量 検出装置により解決される。 上記の装置を用いた測定ガス中の酸素含量検出方法では、スイッチが第２の切 換状態にある場合、測定電極と基準電極との間の電圧に対する特性値を、酸素含 量を検出するために用いる。 このようにして、測定ガスと基準ガスとの間で取り出される電圧に対する、ポ ンプ電流の温度に依存する影響を回避できる。従って、濃淡電池の温度のコスト のかかる制御が不要である。 実施形態の説明 次に本発明を実施形態に基づき図を用いて詳細に説明する。 実施例では、測定ガスは、自動車の駆動源として従来用いられているような内 燃機関の排気ガスである。 図１は、排気管の管壁１に取付けられている排気管内の排気ガスセンサ２を一 部切欠して示す断面略図で ある。この管壁１は、内燃機関の排気ガス（左側）と周囲の大気（右側）を隔て る。排気ガスセンサは、排気ガス側の部分で、排気ガスにさらされている測定電 極４と基準電極５との間に固体電解質３を有している。測定電極５と接触してい る基準ガス体積６は、排気ガスにも周囲空気にも直接接触していない。場合によ って設けられる基準ガス体積のバイパスは、周囲空気に間接的に接続されること によって、例えば多孔性の測定リード線１０によって形成される。基準電極と接 続されている前記リード線１０と、測定電極と接続されているリード線９との間 で、直流電圧源８（Ｕｖ）と前置抵抗７（Ｒｖ）から成る電流源が、スイッチ１ ２を介して接続されている。但し、単にポンプ電流源の実施形態としてのみ前記 のことが実現される。ポンプ電流を、任意な別の方法で、例えば定電流源によっ て形成することができる。スイッチ１２の切換状熊に応じて、測定電極と基準電 極との間の電圧ＵＳが異なって形成される。スイッチが非導通状態の場合、電圧 ＵＳは、濃淡電池のネルンスト電圧Ｕｎと同じであり、スイッチが導通状態の場 合、ＵＳ＝Ｕｎ＋Ｒｉ＊Ｉｐが成り立つ。但し、Ｉｐは電流源から供給されるポ ンプ電流を示し、Ｒｉは濃淡電池の内部抵抗を示す。 スイッチ１２は、例えばトランジスタスイッチによって実現される。このトラ ンジスタスイッチは、制御装置１１によって信号Ｓを用いて、導通状態から非導 通状態に交互に制御される。 非導通状態では、信号ＵＳ＝Ｕｎは、温度に依存するＲｉ＊Ｉｐに無関係であ り、排気ガスの酸素含量、例えば混合気制御の尺度として用いられる。 安定した基準ガス雰囲気を保持するために、スイッチ１２が導通状態の場合、 時間平均において、ポンプ電流Ｉｐによる酸素の供給が、生じる酸素の損失より 上回っていることが重要である。電圧測定が測定抵抗を介して電流測定に基づく 場合、スイッチ１２が非導通である場合、前記の損失は、電圧ＵＳ＝Ｕｎを測定 することによって必ず生じる。典型的には、１Ｖの排気ガスセンサの出力電圧Ｕ ｎの大きさの電圧測定領域では、メガオーム領域の測定抵抗が用いられる。測定 電流は、マイクロアンペア領域での値をとる。電解質の中で前記測定電流は、基 準ガス体積から、酸素イオンによって搬送される。従って、基準ガス体積の酸素 濃度が、測定によって低下する。 このような効果が濃淡電池の起電力に与える影響を非常に少なくするために、 有利には自動車用排気ガスセンサの範囲で適用されるような基準ガス体積に対し て、測定時間を５０〜１５０ｍｓに制限し、前記測定時間の約１／１０をポンプ 電流Ｉｐの供給に費やす必要がある。例えば、１μＡの測定電流の場合１００ｍ ｓの測定時間とすると、これらの値の積に相応する、基準ガス体積から酸素イオ ンによって搬送される電荷 が、ポンプ電流Ｉｐに置き換えられる。そのため、ここで選択された条件の範囲 では、少なくとも１０μＡのポンプ電流が必要である。安定した基準ガス組成を 保証するために、このような最小のポンプ電流を２倍ないし３倍に高めることは 、有意義である。測定時間の１／１０の代わりに、測定時間の１／２０から１／ ２までの値も、ポンプ時間として有利である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 測定電極、固体電解質及び基準電極を有する、ネルンスト原理によって 作動する少なくとも１つの濃淡電池を具備しており、 測定電極は、測定ガスと接触しており、基準ガス体積と接触している基準電極 に、固体電解質を介して接続されており、 基準ガス体積と測定ガスとの間の粒子交換が少なくとも阻害されるように、基 準ガス体積が測定ガスから分離されており、 測定電極と基準電極との間で取り出される濃淡電池の出力電圧が、測定ガスの 酸素濃度と基準ガス体積の酸素濃度の差の尺度を示し、 結合状態で電流が生じるように、基準電極と測定電極との間で結合される電流 源を具備しており、前記電流は、固体電解質の中で測定電極から基準電極に酸素 が運ばれるような方向に流れる、測定ガスの酸素含量検出装置において、 スイッチを具備しており、第１の切換状態では、電流源を濃淡電池と結合し、 第２の切換状態では、電流源を濃淡電池から分離し、従って分離状態では、測定 電極と基準電極との間の電圧は、電流源の影響を受けないことを特徴とする酸素 含量検出装置。 ２． スイッチが第２の切換状態にある場合、測定 電極と基準電極との間の電圧に対する特性値を、酸素含量を検出するために用い ることを特徴とする請求項１に記載の装置を用いた測定ガスの酸素含量検出方法 。 ３． スイッチを２つの切換状態の間で周期的に交互に切り換えることを特徴 とする請求項２に記載の測定ガスの酸素含量検出方法。 ４． それぞれ２つの切換状態の持続時間の比が、切換状態１での基準ガス体 積への酸素供給が、切換状態２での基準ガス体積からの酸素流出を時間平均にお いて上回るように、前もって決められていることを特徴とする請求項３に記載の 測定ガスの酸素含量検出方法。 ５． 第１の切換状態の持続時間が、第２の切換状態の持続時間の１／２０か ら１／２までであることを特徴とする請求項４に記載の測定ガスの酸素含量検出 方法。