专利名称：测量排出气体中的可燃气体浓度的装置及其方法
技术领域：
本发明涉及一种测量可燃气体浓度的装置和使用该装置测量可燃气体浓度的方法，以及测量碳氢化合物气体浓度的装置和使用该装置测量碳氢化合物气体浓度的方法。更具体地说，本发明涉及一种测量可燃气体浓度的装置和使用该装置测量可燃气体浓度的方法，以及测量碳氢化合物气体浓度的装置和使用该装置测量碳氢化合物气体浓度的方法，其中上述装置和方法能测量气体中可燃气体或者碳氢化合物气体的浓度，并且对气体中所含氧气的浓度依赖性很低。
本发明的测量可燃气体浓度的装置和使用该装置测量可燃气体浓度的方法，以及测量碳氢化合物气体浓度的装置和使用该装置测量碳氢化合物气体浓度的方法，能测量可燃气体(例如碳氢化合物气体)的浓度，上述可燃气体包含在从各种内燃机排出的燃烧废气中，上述装置和方法特别适合应用于微弱燃烧的发动机。
背景技术：
为了提高内燃机的燃烧效率以及使含在燃烧废气中的可燃气体得到最大程度燃烧，传统的作法是测量一种含在燃烧废气中的组份的百分含量，上述组份具体地说是氧气，所测数据反馈到燃烧系统用于优化燃烧和提高废气的燃烧效率。但是，近年来为了顺应对废气进行严格管理的趋势并达到节约能源的目标，有必要对燃烧废气中可燃气体的含量进行敏感探测。因此，就需要测量可燃气体组份含量的装置和方法。
例如，对于微弱燃烧的发动机，它可以节约能源，但释放出大量氮氧化物。
图1示出了一种已研制出的去除氮氧化物的系统，其中氮氧化物的去除是利用一个喷射器通过把使用的燃料注入到位于催化转化器进气端的消耗室完成的。并且，对于柴油机还需要催化剂，而传统的设计并没有安装催化转化器。这样，就研制了如图2和图3所示的能测量可燃气体的传感器，用于探测催化转化器的性能恶化。
但是，与传统的发动机比，微弱燃烧的发动机中氧气的浓度有很大的变化，在贪油条件下氧气的浓度特别高。这样，需要一种测量可燃气体浓度的装置，它能探测含有很多碳原子(约2～15个碳原子)的碳氢化合物，而不依赖于氧气的浓度。
在PCT专利申请公开号WO95/25277和日本专利申请公开号82763/1998中描述了以上述方式探测可燃气体的技术。根据前一个专利，探测电极含有金、银、铂或铋。后一个出版物并没有具体描述探测电极。这些出版物并没有提到降低对氧气浓度的依赖性及对燃烧废气温度的依赖性的技术。
本发明的目标是解决上述提到的问题，并提供一种测量可燃气体浓度的装置和使用该装置测量可燃气体浓度的方法，以及测量碳氢化合物气体浓度的装置和使用该装置测量碳氢化合物气体浓度的方法。上述装置和方法能很敏感地探测可燃气体，如碳氢化合物气体，还能精确地测量这种可燃气体的浓度，同时排除对燃烧废气中氧气浓度的依赖和被测气体温度的依赖，并能发出稳定的响应信号。
第一发明测量可燃气体的装置包括一个传导氧离子的固体电解质元件，一个基准电极和一个在固体电解质元件表面形成的探测电极，以及一个用于加热固体电解质元件的加热元件。上述装置的特征在于探测电极含有金和金属氧化物。
上述可燃气体的实例包括含有2～15个碳原子的碳氢化合物气体、氢气、一氧化碳和氨。上述固体电解质元件可以是一种已知的传导氧离子的固体电解质，例如氧化锆基的烧结体或LaGaO3基的烧结体。
上述“基准电极”是一种与一种基准气体接触的电极，放置在恒压的氧气气氛中。氧气的压力通过氧气泵来保持；或者一旦与被测气体中所含的可燃气体组份接触，上述基准电极比探测电极的电势高。上述探测电极置于被测气体中。上述加热元件用于加热固体电解质元件，以使其保持在一个预定温度，上述加热元件可以采用传统的形式，并用公知的材料制成。当固体电解质元件形状为底部封闭的圆柱形时，加热元件的形状可以为棒状，例如圆的杆或条。当测量可燃气体的装置为叠层结构时，加热元件可以是叠层结构的一个组成部分或者以隔离状态放置在固体电解质元件附近。
上述金属氧化物可以是一种过渡族金属氧化物。优选的情况下，探测电极至少包含In、Fe、Ta、Ga、Sr、Eu、W、Ce、Ti、Zr和Sn中的一种元素。特别优选的是，探测电极含有氧化铟和氧化铁中的一种。金属氧化物的使用大大降低了测量可燃气体浓度的装置对氧气浓度的依赖性。
第二发明测量可燃气体浓度的装置，其特点在于探测电极包括第一电极层和第二电极层，第一电极层在固体电解质元件的表面形成，第二电极层在第一电极层的表面形成；第一电极层含有金和铂中的至少一种，第二电极层至少含有金和一种金属氧化物中的一种(当第一电极层与第二电极层的成分相同时除外)。
上述可燃气体、基准电极、探测电极、加热元件、固体电解质元件和金属氧化物与上述第一发明的相似。探测电极采用第一电极层和第二电极层的结构，当被测气体中不含可燃气体时，传感器的输出可以降低(在下文，传感器的输出仅称为偏移)。并且，可以改善探测电极与固体电解质元件间的结合。
当电极中所含的金属氧化物与固体电解质直接接触时，上述偏移易于增大。偏移的增大不是优选的，因为传感器的输出对于被测气体中所含的可燃气体来说相对要低。对比之下，在固体电解质元件和含有金属氧化物的第二电极层之间形成一层至少含有金和铂中的一种的第一电极层，偏移可以被限制在一个低水平，这样就能更精确地探测和测量可燃气体。
采用含有金和一种金属氧化物的探测电极，测量可燃气体浓度的装置可以把偏移限制在0～40mV，甚至是0～10mV。安装了含有金和一种金属氧化物探测电极的测量可燃气体浓度的装置与安装了仅含有金的探测电极的装置相比，其偏移低40～120mV。
当含有金属氧化物的电极以与固体电解质元件接触的形式形成时，固体电解质元件与探测电极间的结合力是不够的。对比之下，在固体电解质元件和含有金属氧化物的第二电极层之间形成一层含有金和铂中至少一种的第一电极层，固体电解质元件与探测电极间的结合得到很大改善。
为了进一步改善结合，可以在第一电极层和第二电极层之间放置一薄层(厚度0.01～30微米)镀金或者一薄层(厚度0.01～30微米)烘干的有机的金化合物。并且，通过在固体电解质元件和第一电极层之间采用相似的一薄层结构，能改善结合层。
当把第一电极层按重量划分成100份(下文仅称为份)时，第一电极层中铂或金的优选的数量不少于50份，更优选的是不少于80份，进一步优选的范围是不少于90份。第一电极层也可以仅由铂或金制成。第一电极层中除了铂或金之外，也可以含有钌或铟。这些元素提高了第一电极层的耐热性。例如，第一电极层的组成可以是90份铂和10份钌。
第一电极层的厚度并没有特别的限制，但优选的是不大于25微米，更优选的是不大于5微米。
第三发明测量可燃气体浓度的装置，其特点在于探测电极包括第一、第二和第三电极层，在固体电解质元件的表面形成一层第一电极层，在第一电极层表面形成一层第二电极层，在第二电极层表面形成一层第三电极层。第一电极层主要由铂组成，第二电极层主要由金组成，第三电极层含有金属氧化物和任意选择的金。
上述可燃气体、基准电极、探测电极、加热元件、固体电解质元件和金属氧化物与上述第一发明的相似。当上述第一电极层的数量被分成100份时，第一电极层中铂的数量优选的为不低于80份(更优选的是不少于90份，进一步优选的范围是不少于95份)。当上述第二电极层的数量被分成100份时，第二电极层中金的数量优选的为不低于80份(更优选的是不少于90份，进一步优选的范围是不少于95份)。
通过采用包括第一电极层、第二电极层和第三电极层的探测电极，偏移量可以降低到第二发明的水平。并且能进一步改善探测电极与固体电解质元件之间的结合。如同第二发明的情况一样，在电极之间也可形成一薄层镀金或一薄层烘干的有机的金化合物，以改善探测电极和固体电解质元件之间的结合。
在第一到第三发明中，探测电极可以形成在暴露在被测气体中的固体电解质元件的所有表面。但优选的是，如同第四发明中说明的，探测电极仅是在固体电解质元件的一部分表面形成，这部分表面对应于加热元件中加热电阻器的位置(下文中这部分称为均匀受热高温部分)。均匀受热高温部分是固体电解质元件表面的一部分，在它下面有加热电阻器。
优选的情况，如第五发明的说明，在固体电解质元件表面的一部分上形成探测电极，这部分表面是从固体电解质元件的一个端部延伸到加热电阻器和加热电阻器引线部分之间的界面附近(下文中这部分也称为均匀受热高温部分)。加热电阻器和加热电阻器引线属于加热元件。
当测量可燃气体浓度的装置包括末端封闭的圆柱形固体电解质元件时，在加热电阻器和加热电阻器引线之间的界面与固体电解质元件末端之间的部分在图5和图6中用B和T标出。当测量可燃气体浓度的装置包括叠层状固体电解质元件时，在加热电阻器和加热电阻器引线之间的界面与固体电解质元件末端之间的部分在图7中用B和T标出。
在第四和第五发明中均匀受热高温部分是固体电解质元件上可以通过加热元件很容易地以均匀和稳定的状态保持在较高温度的部分。因此，仅在上述均匀受热高温部分形成电极时，传感器输出的温度依赖性能限制在较低水平。固体电解质元件的表面温度在上述均匀受热高温部分测量时维持在优选的350～750℃(更优选的是450～650℃，进一步优选的范围是500～600℃)。而且，均匀受热高温部分的表面温度可以优选地控制在预定温度±50℃(更优选的是预定温度±30℃，进一步优选的范围是预定温度±10℃)。
当固体电解质元件的形状为末端封闭的圆柱形时，例如，在加热电阻器和加热电阻器引线之间的界面与固体电解质元件末端之间的部分在图5和图6中用B和T标出，均匀受热高温部分是由一个平面和平面T包容的部分。上述前一个平面与界面平行并位于距离界面处5mm范围内(优选的范围是2mm)，而平面T也于界面平行并包含固体电解质元件的一个端部。
当固体电解质元件的形状为叠层状时，加热电阻器和加热电阻器引线间的界面在图7中用B标出，均匀受热高温部分是由两个平面所封闭的部分。其中一个平面与界面平行并距离界面处3mm范围内(优选的范围是1mm)，另一个平面也于界面平行并包含固体电解质元件的一个端部。应注意的是，探测元件可以形成在均匀受热高温部分的整个表面，也可以是均匀受热高温部分的部分表面。优选的是，基准电极形成在均匀受热高温部分的整个表面或者是部分表面。
第六发明测量可燃气体浓度的装置，其特点在于探测电极含有金和任意选择的铂。探测电极形成在固体电解质元件的一部分，这一部分是从固体电解质元件的一个末端延伸到加热电阻器和加热电阻器引线部分之间的界面附近。加热电阻器和加热电阻器引线设于加热元件内部。
上述可燃气体、基准电极、探测电极、加热元件、固体电解质元件和金属氧化物与上述第一发明的相似。上述加热电阻器和加热电阻器引线部分之间的界面附近以及固体电解质元件的一个末端与第四发明的相似。
第一到第六发明的测量可燃气体浓度的装置中，当第一电极层含有铂(优选的不低于50份，更优选的不低于80份)，第二电极层含有金时，优选的是，第二电极层是由含有平均晶粒尺寸为0.1～100微米(优选的是0.2～50微米，更优选的是0.5～30微米)金粉的糊浆通过烘烤获得。当金粉的平均晶粒尺寸小于0.1微米时，不能获得足够的敏感性。当金粉的平均晶粒尺寸大于100微米时，得到的第二电极层厚度不均匀，可能引起传感器输出的变化。
第七发明测量可燃气体浓度的装置，其特点在于探测电极包括第一电极层和第二电极层，第一电极层在固体电解质元件的表面形成，第二电极层在第一电极层的表面形成。第一电极层含有铂，第二电极层含有金(第一电极层和第二电极层的成分相同时的情况除外)。第二电极层是由含有平均晶粒尺寸为1～100微米(优选的是2～50微米，更优选的是5～30微米)金粉的糊浆通过烘烤获得。
上述可燃气体、基准电极、探测电极、加热元件、固体电解质元件和金属氧化物与上述第一发明的相似。当金粉的平均晶粒尺寸小于1微米时，不能使灵敏度得到足够改善。当金粉的平均晶粒尺寸大于100微米时，得到的第二电极层厚度不均匀，可能引起传感器输出的变化。用这样大小的金粉制成的探测电极，在探测可燃气体时灵敏度得到改善。灵敏度得到改善的具体原因尚不确定。大晶粒尺寸的金粉即使在烘烤后也易于保持大的晶粒尺寸。可以理解，优选的情况是，本发明探测电极中的金即使在烘烤后也能保持大的晶粒尺寸。
在第一发明中，第二电极层除了金外可以含有金属氧化物。当第二电极层的组成主要是金并且第三电极层在第二电极层的表面形成时，第三电极层包含金和金属氧化物。进一步说，当第一和第三电极层都包含金时，优选的情况是第一和第三电极层分别由含有同样晶粒尺寸金粉的糊浆制成。
优选的情况，如第八发明的说明，在上述第一至第七发明的电极表面形成一层扩散层。上述扩散层没有特别的限制，只要能使被测气体中的可燃气体到达探测电极即可。扩散层的传统组成为尖晶石和/或氧化铝。通过扩散层后被测气体以基本上稳定的速度或流量到达探测电极，而与被测气体到达扩散层表面的速度或流量无关。也就是说，可以降低对被测气体速度或流量的依赖性。扩散层还可以防止电极中毒起到保护层的作用，还可以增加电极强度起到强化层的作用。扩散层可以有两层或多层。
优选的情况，如第九发明的说明，扩散层含有一种组元，用于氧化氢气和一氧化碳中的至少一种。本发明测量可燃气体浓度的装置对可燃气体中的氢气有特别好的敏感性，有些情况下对一氧化碳也有好的敏感性，并相应地产生传感器输出信号。为了得到除了与氢气和一氧化碳中至少一种有关的探测信号外的传感器输出，氢气和/或一氧化碳被氧化或吸收以防止其到达探测电极。这样，除了氢气和/或一氧化碳之外的可燃气体能被准确地探测和测量。氧化氢气的催化组元的例子包括Pb、Ag、Au、Pd、Pt、Ir、Ru、Rh、Co、Ni、Mn、Cu、Cd、Fe、V、Cr、Ce、Y或La。为了得到除了与一氧化碳有关的探测信号外的传感器输出，扩散层应含有一种能选择性地或优选地氧化或吸收一氧化碳的组元。这种组元的例子包括Pb、Ag、Au、Pd、Pt、Ir、Ru、Rh、Co、Ni、Mn、Cu、Cd、Fe、V、Cr、Ce、Y或La。应注意的是，扩散层中的这些组元能氧化一氧化氮并减少其它氮氧化物。
特别优选的情况是，如第十发明的说明，扩散层至少含有铂和钯的一种。当扩散层含铂时，对于氢，特别是一氧化碳，传感器的输出比扩散层不含铂时要低。在这种情况下，对于其它不是一氧化碳的可燃气体，传感器的输出也降低了。但，对于氢和一氧化碳(可以由特殊的敏感性进行探测)，由于传感器的输出降低了，因此除了氢和一氧化碳外的其它可燃气体的敏感性就相对增加了。这样，即使被测气体含有氢和一氧化碳时，它们对测量的影响也可以限制在较低的水平，因而可以准确地探测和测量除氢和一氧化碳外的可燃气体。
具有含铂扩散层的测量可燃气体浓度的装置用于测量含氢的被测气体时，被测气体的具体组成为H2(1000ppm)、O2(7％)、CO2(10％)、H2O(10％)、N2(余量)，温度为300℃，流量15L/min，控制装置使其在测量时探测电极表面温度达到570℃，对于氢，传感器的输出比用扩散层不含铂的装置测量时降低了80mV或者更多(大约25％或更多)。
具有含铂扩散层的测量可燃气体浓度的装置用于测量含一氧化碳的被测气体时，被测气体的具体组成为CO(1000ppm)、O2(7％)、CO2(10％)、H2O(10％)、N2(余量)，温度为300℃，流量15L/min，控制装置使其在测量时探测电极表面温度达到570℃，对于一氧化碳，传感器的输出比用扩散层不含铂的装置测量时降低了80mV或者更多(大约80％或更多)，甚至降低了85mV或更多(大约85％或更多)。
当扩散层含有钯时，对于除了一氧化碳以外的可燃气体，传感器的输出比扩散层不含钯时增大了。同时，对于一氧化碳的敏感性也降低了。因此，当把所测量的一氧化碳的影响限制在低水平时(一氧化碳可以其它特殊敏感性探测)，可以准确地探测和测量除一氧化碳外的可燃气体。
具有含钯扩散层的测量可燃气体浓度的装置用于测量含一氧化碳的被测气体时，被测气体的具体组成为丙烯(1000ppm)或CO(1000ppm)、O2(7％)、CO2(10％)、H2O(10％)、N2(余量)，温度为300℃，流量15L/min，控制装置使其在测量时探测电极表面温度达到570℃，对于一氧化碳，传感器的输出比用扩散层不含铂的装置测量时降低了14mV或者更多(大约15％或更多)，甚至降低了20mV或更多(大约20％或更多)。进而，对于丙烯，上述测量可燃气体的装置能将传感器的输出提高15mV或更多(大约13％或更多)，甚至提高20mV或更多(大约16％或更多)。
优选的情况，如第十一发明的说明，本发明测量可燃气体浓度的装置还包括温度控制器，该控制器根据固体电解质元件的内阻，控制提供到加热元件上的电压。上述温度控制器的结构没有特殊的限制，典型的结构包括测量固体电解质元件内阻的部分和供电电压控制部分，供电电压控制部分根据固体电解质元件内阻控制加在加热元件上的电压。通过测量形成在固体电解质元件上的基准电极和探测电极间的电阻来获得上述内阻。另外，作为内阻探测电极的一层导电层还可以在固体电解质元件表面形成，并可测量导电层和探测电极间或者导电层和基准电极间的电阻。内阻探测电极可以与基准电极和探测电极分开制作(作为例子，参见图6和图9)。
优选的情况，如第十二发明的说明，固体电解质元件的形状为末端封闭的圆柱形；放在固体电解质元件内的加热元件为棒状；固体电解质元件的中心轴线和加热元件的中心轴线基本相互重合；加热元件末端至少有一部分与固体电解质元件底部的内表面接触。
上述基本相互重合的意思是指固体电解质元件与加热元件同轴或者两者中心轴线相互偏离不超过500微米(优选的不超过200微米，更优选的不超过50微米)。
上述加热元件的放置扩大了固体电解质元件表面保持在高温(优选的是400～650℃，更优选的是450～600℃，进一步优选的是480～590℃)的部分。并且，也可以扩大小范围温度变化的高温部分(温度最大值与最小值之间相差100℃，更优选的是80℃，进一步优选的是50℃)。也就是说，即便在制作了探测电极的情况下，也可以减少测量可燃气体浓度的装置对温度的依赖性，这是由固体电解质元件表面温度变化引起的。
在固体电解质元件表面的高温和均温分布的上述部分中(没有必要与均匀受热高温部分相同)，当测量可燃气体浓度的装置的最大表面温度为400～650℃时，在从装置的底部起朝向头部的1mm位置测量的装置表面平均温度与从装置的底部起朝向头部的5mm位置测量的装置表面平均温度的差值不大于50℃(优选的不大于40℃，更优选的不大于30℃)。当测量可燃气体浓度的装置的最大表面温度为400～650℃时，围绕着装置在相隔90度的四个不同位置测量的最大温度的差异控制在不大于60℃(优选的不大于50℃，更优选的不大于40℃)。
测量可燃气体装置的表面是指去除金属安装壳后看到的表面。具体地说，装置的表面温度，当有扩散层时是扩散层的表面温度；当没有扩散层时，或者是探测电极的表面温度，或者是固体电解质元件的表面温度。
对于第一到第十一发明的测量可燃气体浓度的装置，减小传感器输出对温度的依赖性是重要的。为达到这一目标，优选方案是，探测电极仅形成在均匀受热高温部分。并且，均匀受热高温部分的温度分布优选的是均匀的。因此，优选方案是，如第十二发明的说明，固体电解质元件的中心轴线与加热元件的中心轴线同轴或基本相互重合。这个特点保证了测量可燃气体浓度装置的均匀受热高温部分的表面温度分布均匀。
进一步讲，加热元件的末端至少有一部分与固体电解质元件底部的内表面相接触，因此温度均匀分布的部分扩展到测量可燃气体浓度装置底部的末端。为了达到如此的接触，加热元件末端部分的直径在朝向加热元件末端的方向上减小。例如，加热元件的末端可以制成圆的，如同固体电解质元件的底部内表面一样。
在第一到第十二发明的测量可燃气体浓度的装置中，使用上述结构的探测电极的效果是减小了偏移。但是，使用本发明测量可燃气体浓度的装置测量时受到氧气浓度的影响。因此，优选方案是，为了准确探测和测量可燃气体，对于氧气浓度通过减去氧气浓度的传感器输出来修正传感器输出。
例如，可以通过如下的方法修正把测量可燃气体浓度装置的固体电解质元件的一部分用作测量氧气浓度的氧气传感器；把测量氧气浓度的氧气传感器与测量可燃气体浓度的装置分开设置以及在同一被测气体中使用一个基准电极和一个探测电极，从而在氧气浓度的传感器输出消除后直接得到传感器输出。
第十三发明的测量碳氢化合物气体浓度的装置包括传导氧离子的固体电解质元件，形成在固体电解质表面的基准电极和探测电极，以及加热固体电解质元件的加热元件。上述装置的特征在于探测电极含有金和金属氧化物。
上述碳氢化合物气体的例子是含有2～15个碳原子的碳氢化合物。本发明测量碳氢化合物气体的装置能敏感地探测碳氢化合物气体，特别是含有2～15个碳原子的不饱和碳氢化合物，并能准确地测量其浓度。上述基准电极是与参考气体接触的电极，或者是放在由氧气泵维持恒压的氧气中的电极，并且/或者其产生的电势低于探测电极的电势，探测电极接触到被测气体中的碳氢化合物气体组份。探测电极、加热元件、固体电解质元件和金属氧化物与第一发明中的相似。
第十四发明的测量碳氢化合物气体浓度的装置，其特点在于探测电极包括第一电极层和第二电极层，第一电极层在固体电解质元件的表面形成，第二电极层在第一电极层的表面形成；第一电极层含有金和铂中的至少一种，第二电极层含有金和一种金属氧化物的至少一种(当第一电极层与第二电极层的成分相同时例外)。
第十五发明测量碳氢化合物气体浓度的装置，其特点在于探测电极包括第一、第二和第三电极层，在固体电解质元件的表面形成一层第一电极层，在第一电极层表面形成一层第二电极层，在第二电极层表面形成一层第三电极层；第一电极层主要由铂组成；第二电极层主要由金组成；第三电极层含有金属氧化物和任意选择的金。
在第十四和第十五发明中，碳氢化合物气体、基准电极、探测电极、加热元件、固体电解质元件和金属氧化物与上述第十三发明的相似。在第十四发明中，第一电极层和第二电极层与第二发明中的相似。在第十五发明中，第一电极层和第二电极层与第三中的相似。
优选的情况，如第十六和第十七发明的说明，与第十四和第十五发明的情况相似，但探测电极仅存在于均匀受热高温部分。
第十八发明测量碳氢化合物气体浓度的装置，其特点在于探测电极含有金和任意选择的铂；探测电极形成在固体电解质元件的一部分，这一部分是从固体电解质元件的一个末端延伸到加热电阻器和加热电阻器引线部分之间的界面附近。加热电阻器和加热电阻器引线都设于加热元件内部。
上述碳氢化合物气体、基准电极、探测电极、加热元件和固体电解质元件与上述第十三发明的相似。上述加热电阻器和加热电阻器引线部分之间的界面附近以及固体电解质元件的一个末端与第十六发明的相似。
第十九发明的测量碳氢化合物气体浓度的装置，其特点在于探测电极包括第一电极层和第二电极层，第一电极层在固体电解质元件的表面形成，第二电极层在第一电极层的表面形成，第一电极层含有铂，第二电极层含有金(当第一电极层与第二电极层的成分相同时例外)。第二电极层是由含有平均晶粒尺寸为1～100微米(优选的是2～50微米，更优选的是5～30微米)金粉的糊浆通过烘烤获得。
上述碳氢化合物气体、基准电极、探测电极、加热元件和固体电解质元件与上述第十三发明的相似。金粉的平均晶粒尺寸与第七发明的有关部分相似。
优选的情况，如第二十发明的说明，与第十八发明的情况相似，扩散层形成在第十三到第十九发明的探测电极表面。优选的情况，如第二十一发明的说明，与第十九发明的情况相似，扩散层含有至少能氧化氢和一氧化碳中一种的组元。特别的，如第二十二发明的说明，与第十发明的情况相似，扩散层至少含有铂和钯中的一种。
具有含铂扩散层的测量碳氢化合物气体浓度的装置用于测量含氢的被测气体时，被测气体的具体组成为H2(1000ppm)、O2(7％)、CO2(10％)、H2O(10％)、N2(余量)，温度为300℃，流量15L/min，在测量过程中对该装置进行控制使探测电极表面温度达到570℃，对于氢，传感器的输出比用扩散层不含铂的装置测量时降低了80mV或者更多(大约25％或更多)。
具有含铂扩散层的测量碳氢化合物气体浓度的装置用于测量含一氧化碳的被测气体时，被测气体的具体组成为CO(1000ppm)、O2(7％)、CO2(10％)、H2O(10％)、N2(余量)，温度为300℃，流量15L/min，在测量过程中对装置进行控制使探测电极表面温度达到570℃，对于一氧化碳，传感器的输出比用扩散层不含铂的装置测量时降低了80mV或者更多(大约80％或更多)，甚至降低了85mV或更多(大约85％或更多)。
具有含钯扩散层的测量碳氢化合物气体浓度的装置用于测量含一氧化碳的被测气体时，被测气体的具体组成为丙烯(1000ppm)或(1000ppm)、O2(7％)、CO2(10％)、H2O(10％)、N2(余量)，温度为300℃，流量15L/min，在测量过程中对装置进行控制，使探测电极表面温度达到570℃，对于一氧化碳，传感器的输出比用扩散层不含铂的装置测量时降低了14mV或者更多(大约15％或更多)，甚至降低了20mV或更多(大约20％或更多)。进而，对于丙烯，上述测量可燃气体的装置能将传感器的输出提高15mV或更多(大约13％或更多)，甚至提高20mV或更多(大约16％或更多)。
优选的情况，如第二十三发明的说明，与第十一发明的情况相似，本发明测量碳氢化合物气体浓度的装置还包括温度控制器，根据固体电解质元件的内阻施加在控制加热元件上的电压。优选的情况，如第二十四发明的说明，与第十二发明的情况相似，固体电解质元件的形状为末端封闭的圆柱形，放在固体电解质元件内的加热元件为棒状，固体电解质元件的中心轴线和加热元件的中心轴线基本相互重合；加热元件末端至少有一部分与固体电解质元件底部的内表面接触。优选的情况，在第十三到第二十四发明的测量碳氢化合物气体浓度的装置中，如同上述测量可燃气体浓度的装置，传感器输出对于氧气的浓度要修正，方法是减去氧气浓度的传感器输出。
测量可燃气体浓度的第一发明装置能敏感地探测被测气体中所含的可燃气体，并能准确地测量可燃气体的浓度，同时能把对被测气体中氧气浓度的依赖性降低到一个非常低的水平。测量可燃气体浓度的第二和第三发明装置能准确地进行探测和测量，并且能把偏移抑制在低水平上，同时对被测气体的温度依赖性低。测量碳氢化合物气体浓度的第十三发明装置能敏感地探测被测气体中所含的碳氢化合物气体，能准确地测量碳氢化合物气体的浓度，同时能把对被测气体中氧气浓度的依赖性降低到一个非常低的水平。测量碳氢化合物气体浓度的第十四和第十五发明装置能准确地进行探测和测量，并且能把偏移抑制在低水平上，同时对被测气体的温度依赖性低。测量可燃气体浓度的第二十五发明方法和测量碳氢化合物气体浓度的第二十六发明方法能以特别准确的方式下测量目标气体的浓度。
下面简要描述附图。
图1表示测量可燃气体浓度装置或测量碳氢化合物气体浓度装置的一应用实例的示意图。
图2表示测量可燃气体浓度装置或测量碳氢化合物气体浓度装置的一应用实例的示意图。
图3表示测量可燃气体浓度装置或测量碳氢化合物气体浓度装置的一应用实例的示意图。
图4表示测量可燃气体浓度装置或测量碳氢化合物气体浓度装置的纵向剖视图，其中装有末端封闭的固体电解质元件。
图5表示测量可燃气体浓度装置或测量碳氢化合物气体浓度装置的纵向剖视图，其中装有末端封闭的固体电解质元件。
图6表示本发明测量可燃气体浓度装置或本发明测量碳氢化合物气体浓度装置的纵向剖视图，其中装有末端封闭的固体电解质元件。
图7表示测量可燃气体浓度的叠层式装置或测量碳氢化合物气体浓度的叠层式装置的横向剖视图。
图8表示测量可燃气体浓度的叠层式装置或测量碳氢化合物气体浓度的叠层式装置的横向剖视图。
图9表示测量可燃气体浓度装置或测量碳氢化合物气体浓度装置的横剖视图，其中装有用于对氧气浓度进行修正的氧气浓度测量部分。
图10表示测量可燃气体浓度的叠层式装置或测量碳氢化合物气体浓度的叠层式装置的横向剖视图。
图11表示固体电解质元件中偏移与温度的关系图。
图12表示氧气浓度和传感器输出的关系图。
图13表示传感器输出和被测气体温度的关系图。
图14表示被测气体作为参数时被测气体和传感器输出的关系图。
图15表示使用温度控制器的传感器输出和不使用温度控制器的传感器输出的关系图。
图16表示实施例中应用的加热元件的末端形状的示意图。
图17表示测量可燃气体浓度的装置H1表面上部的温度分布图。
图18表示测量可燃气体浓度的装置H1表面右侧的温度分布图。
图19表示测量可燃气体浓度的装置H1表面下部的温度分布图。
图20表示测量可燃气体浓度的装置H1表面左侧的温度分布图。
图21表示测量可燃气体浓度的装置H2表面上部的温度分布图。
图22表示测量可燃气体浓度的装置H2表面右侧的温度分布图。
图23表示测量可燃气体浓度的装置H2表面下部的温度分布图。
图24表示测量可燃气体浓度的装置H2表面左侧的温度分布图。
附图中标号说明如下1固体电解质元件21基准电极21＇基准电极引线22a第一电极层22b第二电极层
22＇探测电极引线23氧气探测电极23＇氧气探测电极引线3内阻测量电极31内阻测量引线4加热元件41加热电阻器42加热电阻器引线43加热元件引线5扩散层6增强层7温度控制器8传感器输出测量部分9氧气浓度修正部分B加热电阻器和加热电阻器引线部分之间的界面T含有固体电解质元件末端部分的平面下面将通过例证的方式具体描述本发明的实施例。
制造末端封闭圆柱形的测量可燃气体浓度的装置把含有4.5mol％Y2O3的氧化钇稳定的氧化锆(下文简称为YSZ)粉装入橡胶模具，然后压制。用糊浆把探测电极引线的形状印在得到的每一个压坯表面上，接着把压坯烧结，随后得到末端封闭圆柱形的固体电解质元件。每一个固体电解质元件的内表面镀上一层铂，作为基准电极层。接着通过镀铂得到一层第一电极层。将金粉(90份)与金属氧化物粉(10份)混合。在得到的粉末混合物中，分别加入预定量的粘结剂、分散剂、溶剂二甘醇二乙醚。把上述混合物搅拌成糊浆，再把糊浆涂在铂镀层上从而形成一层第二电极层。然后把上述制得的固体电解质元件在880℃的温度下烘烤10分钟。随后，把尖晶石热喷涂在每一个固体电解质元件的探测层表面上形成扩散层。把加热元件放入每一个固体电解质元件中，使其末端紧靠在固体电解质元件底部的内表面上。接下来，把每一个固体电解质元件的基准电极引线、探测电极引线和加热元件引线连接到温度控制器上。这样便制造出测量可燃气体浓度的装置。
对探测电极的研究(1)偏移温度依赖性的对比使用按照[1]中描述的方法和下述途径制造的测量可燃气体的浓度的装置1、2和3装置1探测电极仅含金；装置2探测电极是单独的一层，含有金和金属氧化物；装置3探测电极有两层，第一电极层通过镀铂的方法得到，第二电极层含有90份金和10份氧化铟。对装置1、2和3的偏移的温度依赖性进行了对比。在大气压、室温状态下得出测量结果。当加热元件通电时，固体电解质元件的内阻变为500Ω、1000Ω、1500Ω和2000Ω，并测量固体电解质元件的偏移和温度。结果如图11所示。
从图11可以看出，与探测电极仅含有金的装置1相比，装置2和3对温度的依赖性降低了。并且，通过使用两层结构的探测电极，其中第一电极层主要含有铂，大大降低了温度依赖性。
(2)不同电极组成对氧气浓度依赖性的对比使用按照[1]中描述的方法和下述途径制造的测量可燃气体的浓度的装置4、5和6装置4探测电极为两层结构，第一电极层通过镀铂的方法得到，第二电极层仅含有金；装置5探测电极为两层结构，第一电极层通过镀铂的方法得到，第二电极层含有90份金和10份氧化铟；装置6探测电极为两层结构，第一电极层通过镀铂的方法得到，第二电极层含有90份金和10份氧化铁。对比了具有不同电极组成的装置4、5和6对氧气浓度的依赖性。被测气体含有丙烯(用FID分析仪测定含有500ppmC)、CO2(10％)、H2O(10％)、O2(1％、7％或15％)、N2(余量)。被测气体的温度为300℃，流量为15L/min。当被测气体的氧气浓度在1％、7％或15％之间变化时，给加热元件通电以使固体电解质元件的内阻变为1000Ω(探测电极的表面温度达到约570℃)，对于每一个氧气浓度值测量了传感器输出。结果如图12所示。
从图12中可以看出，金属氧化物在探测电极中的存在对降低氧气浓度的依赖性起到了很大作用。对于第二电极层仅含金的装置4，对应于氧气浓度的变化，传感器的输出变化最大，约为70mV。对比之下，第二电极层含有金属氧化物的装置5和6，传感器输出的变化降低到不超过20mV，进一步可降低到不超过10mV。
(3)探测电极中含有不同晶粒尺寸金粉的对比按照与[1]相似的方法制造末端封闭的圆柱形固体电解质元件。每一个固体电解质元件的内表面镀一层铂作为基准电极。接着，通过镀铂的方法在每一个固体电解质元件的外表面形成一层第一电极层。三种(平均晶粒尺寸0.6微米、8.2微米和22微米)金粉(90份)的每一种与氧化铟粉(10份)混合。在得到的粉末混合物中，分别加入预定量的粘结剂、分散剂、溶剂二甘醇二乙醚。把上述混合物搅拌成糊浆，再把糊浆涂在铂镀层上从而形成一层第二电极层。然后把用上述方法制得的固体电解质元件在880℃烘烤10分钟。随后，形成一层扩散层，再把放入加热元件。然后，把每一个固体电解质元件的基准电极引线、探测电极引线和加热元件引线连接到温度控制器上。这样便制造出测量可燃气体浓度的装置。
同样地，还制造了没有第一电极层的测量可燃气体浓度的装置，其中使用了三种不同晶粒尺寸的金粉。
用上述六种测量可燃气体浓度的装置进行测量，给加热元件连续供给9V电压，可得到测量结果。被测气体含有丙烯(用FID分析仪测定含有500ppmC)、O2(7％)、CO2(10％)、H2O(10％)、N2(余量)。被测气体的温度为300℃，流量为15L/min。结果见表1。
表1
从表1中可以看出，当存在第一电极层铂时，敏感性随金粉晶粒尺寸增大而增加。在没有第一电极层的测量可燃气体浓度的装置中，随金粉晶粒尺寸减小，敏感性提高。可以理解，在存在第一电极层的测量可燃气体浓度的装置中，使用大晶粒尺寸的金粉抑制了金铂合金的形成。金铂合金的形成能产生或很可能产生混合势。
(4)在不同位置形成探测电极时传感器输出对被测气体温度的依赖性的对比按照[1]中描述的方法以及下述的方法制造测量可燃气体浓度的装置7和8，其中探测电极具有两层结构通过镀铂得到第一电极层，而第二电极层含有90份金和10份氧化铟或10份氧化铁。装置7探测电极形成在整个固体电解质元件的外表面。装置8探测电极仅在固体电解质元件的一部分外表面形成，该部分从固体电解质元件的末端部分延伸到加热电阻器和加热电阻器引线之间的界面附近。加热电阻器和加热电阻器引线设于含有圆柱形固体电解质元件的加热元件内部。在装置7和8之间，被测气体的温度对传感器输出的依赖性进行比较，该依赖性是因探测电极的位置引起的。测量时使用了两种被测气体，一种被测气体含有丙烯(500ppmC)、O2(7％)、CO2(10％)、H2O(10％)、N2(余量)；另一种被测气体含有丙烯(0ppmC)、O2(7％)、CO2(10％)、H2O(10％)、N2(余量)。被测气体的流量为15L/min，温度在150～500℃之间变化。结果绘成图，如图13，其中传感器输出为Y轴，被测气体的温度为X轴。
从图13中看出，通过仅在固体电解质元件外表面的均匀保持高温的部分形成探测电极，可以抑制由被测气体温度引起的传感器输出的变化。当被测气体含有可燃气体(丙烯)并且温度不低于400℃时，这样形成的探测电极特别有效。
(5)可燃气体不同时传感器输出的对比按照[1]中描述的方法制造测量可燃气体浓度的装置9，其中探测电极具有两层结构通过镀铂得到第一电极层，而第二电极层含有90份金和10份氧化铟。对比了不同可燃气体时传感器从装置9的输出。测量使用的被测气体含有CO2(10％)、H2O(10％)、O2(7％)、N2(余量)，可燃气体的浓度变化如图所示。被测气体的流量为15L/min，温度为300℃。结果绘成图，如图14，其中传感器输出为Y轴，被测气体的可燃气体浓度为X轴。
从图14看出，本发明测量可燃气体浓度的装置能有效地探测任何可燃气体。特别地，上述装置能准确测量具有双键的不饱和碳氢化合物的浓度，例如丙烯、异丁烯或二甲苯，并且对于这样的不饱和碳氢化合物表现出优异的响应性。
扩散层的研究按照如[1]描述的相似的方法制造测量可燃气体浓度的装置，其中具有含有尖晶石的扩散层。其上制作有电极和扩散层的固体电解质元件可利用如[1]所述的方法制作而成。把固体电解质元件浸入四氯化铂水溶液(0.05g/L)中，抽真空10分钟。随后，固体电解质元件在100℃温度下至少干燥3分钟，再在大气中800℃温度下烧1小时。接着，在固体电解质元件中放入加热元件，使其末端紧靠着固体电解质元件底部的内表面。然后，把基准电极引线、探测电极引线和加热元件引线连接到温度控制器上。这样便制造出具有含铂扩散层的测量可燃气体浓度的装置。同样的，具有电极和扩散层的固体电解质元件是按照与[1]描述的相似的方法得到的。把固体电解质元件浸入硝酸钯水溶液(0.05g/L)中，下面的步骤同以上所描述的步骤相似。这样便制造出具有含钯扩散层的测量可燃气体浓度的装置。
使用以上三种装置测量可燃气体浓度(扩散层既不含铂也不含钯的测量可燃气体浓度的装置；扩散层含铂的测量可燃气体浓度的装置；扩散层含钯的测量可燃气体浓度的装置)，给加热元件通电，以使固体电解质元件的内阻保持为1000Ω(探测电极的表面温度为570℃)，可得出测量结果。被测气体含有丙烯(1000ppmC)或CO(1000ppmC)、O2(7％)、CO2(10％)、H2O(10％)、N2(余量)。被测气体的温度为300℃，流量为15L/min。结果见表2。
表2<
从表2看出，扩散层含铂的测量可燃气体浓度的装置，与扩散层不含铂的测量可燃气体浓度的装置相比，对于CO，传感器输出降低了84mV或者更多。对于CO，传感器输出降低的原因尚不明确。可以理解，通过铂催化作用的燃烧，减少了到达探测电极的H2和CO的数量。对于丙烯，传感器的输出也降低了。但是，特别是与CO相比，对于丙烯，由于传感器输出的降低是小的，因此对于丙烯敏感性相对增加。
与扩散层不含钯的测量可燃气体浓度的装置相比，扩散层含钯的测量可燃气体浓度的装置，对于丙烯，提高了传感器的输出约13％，对于CO则降低传感器输出约20％。
温度控制器的研究使用按照[1]中描述的方法制造的装置1(探测电极含有90份金和10份氧化铟)，把使用温度控制器和没使用温度控制器的传感器输出进行了对比。测量时使用的被测气体含有O2(7％)、CO2(10％)、H2O(10％)和丙烯(500ppmC)。在300℃和500℃下检测被测气体，其流量为15L/min。在使用温度控制器的情况下，固体电解质元件的内阻控制在1000Ω。在不使用温度控制器的情况下，加在加热器上的电压保持为9V。结果如图15所示。
从图15中看出，在被测气体温度为500℃以及丙烯含量为500ppmC时，使用温度控制器的传感器输出为115.9mV；而不使用温度控制器的传感器输出为21.8mV，这个值太小而不能充分检测到。在不使用温度控制器时，当被测气体温度改变而其中的丙烯浓度不变时，传感器输出的变化约为130mV。对比之下，使用了温度控制器后，由于温度变化引起传感器输出的变化抑制在10mV。这样，在本发明中，使用温度控制器后能更敏感地探测和准确地测量。
加热元件位置的研究使用了两种测量可燃气体浓度的装置(第一电极层通过镀铂的方法得到，第二电极层含有90份金和10份氧化铟)，按照与[1]中描述的方法相似的方法制造以上装置。加热元件的末端形状如图16所示，按以下方法放置在一种装置中，加热元件放入固体电解质元件，使加热元件的中心轴线与固体电解质元件的中心轴线同轴，并使加热元件的末端与固体电解质元件底部内表面接触(下文中，这种测量可燃气体浓度的装置称为H1)；在另一种装置中，加热元件倾斜地插入到固体电解质元件中，使加热元件末端紧靠着固体电解质元件内壁(下文中，这种测量可燃气体浓度的装置称为H2)。在H1和H2中，控制加热元件上的电压使固体电解质元件的内阻变为1000Ω。使用温度记录法，测量了两种测量可燃气体浓度的装置中，在彼此相距90度的四个位置上的表面温度。结果如图17～24。
从图17～24中看出，在H2中，点3的温度变化约为63℃或更大。在H1中，温度变化约为49℃。H2的最高表面温度为548℃，而H1的为562℃。在H2中，在所有四个位置的点1～5上测量的平均温度(20个点的平均温度)约为486℃；而H1的平均温度高达510℃。
并且，从图17～24中看出，H1中的高温部分范围宽而H2中的则窄。具体地说，在H2中，点1的平均温度约为453℃，点3的平均温度约为514℃，点1和点3的平均温度差61℃。对比之下，在H1中，点1的平均温度约为507℃，点3的平均温度约为542℃，点1和点3的平均温度差35℃。因此，在测量可燃气体浓度装置的末端部分与装置中被加热电阻器加热部分之间的温度差小，并且均匀受热高温区保持在较高温度，同时温度分布均匀。
氧气浓度修正的研究使用了按照与[1]中描述的方法制造的测量可燃气体浓度的装置(第一电极层通过镀铂的方法得到，第二电极层含有90份金和10份氧化铟，扩散层通过热喷涂尖晶石获得)。给加热元件通电加热以使固体电解质元件的内阻保持为1000Ω，(探测电极的表面温度为570℃)，可得出测量结果，使用的被测气体有以下三种组成丙烯(530ppmC)、O2(1％、7％或15％)、CO2(10％)、H2O(10％)和N2(余量)。被测气体的温度为300℃，流量为15L/min。结果见表3。
表3
表3中与未修正有关的计算方法如下从在每一个氧气浓度下得到的传感器输出减去氧气浓度为7％时的偏移，得到的传感器输出在计算丙烯浓度时被用作每一个氧气浓度下的偏移。表3中与修正有关的计算方法如下从在每一个氧气浓度下得到的传感器输出减去从近似偏移曲线得到的偏移，得到的传感器输出在计算丙烯浓度时被用作每一个氧气浓度下的偏移。
结果，尽管被测气体中实际所含的丙烯浓度为530ppmC，在氧气浓度固定为7％的假定下计算的丙烯浓度范围为266.7～4240.7ppmC，说明准确性太差。对比之下，传感器输出在被测氧气浓度的基础上修正后计算的丙烯浓度的范围为491～540ppmC，说明非常接近实际的丙烯浓度。
测量可燃气体浓度和碳氢化合物气体浓度的叠层式装置的制造在两层氧化铝生坯板间形成一个作为加热电阻器的加热器样式，从而得到一个作为加热元件的基板。在上述基板上加上基准电极。在基准电极上涂上预先制备的含有YSZ的糊浆，形成一层固体电解质元件。把作为第一电极层的铂和作为内阻测量电极的铂层印在作为固体电解质元件的上述糊浆上，再烧成整体。随后，把通过如下步骤制得的糊浆涂在第一电极层上作为第二电极层将90份金粉与10份氧化铟粉混合；在得到的粉末混合物中，分别加入预定量的粘结剂、分散剂、溶剂二甘醇二乙醚。把上述混合物搅拌成糊浆。把上述制得的叠层在880℃烧10分钟。随后，把尖晶石热喷涂在第二电极层表面上形成扩散层。接下来，把基准电极引线、探测电极引线和加热元件引线连接到温度控制器上。这样便制造出测量可燃气体浓度的叠层式装置。同样地，也可以制造出测量碳氢化合物气体浓度的装置。上述装置能够敏感地探测和准确地测量，并对被测气体的氧气浓度和温度有低的依赖性，这如同具有末端封闭的圆柱形固体电解质元件的测量可燃气体浓度的装置一样。
权利要求
1.一种测量可燃气体浓度的装置，它包括传导氧离子的固体电解质元件(1)；基准电极(21)和在固体电解质元件(1)表面形成的探测电极(22a，22b)；以及加热固体电解质元件(1)的加热元件(4)；其中探测电极(22a，22b)含有金和金属氧化物。
2.一种测量可燃气体浓度的装置，它包括传导氧离子的固体电解质元件(1)；基准电极(21)和在固体电解质元件(1)表面形成的探测电极(22a，22b)；加热固体电解质元件(1)的加热元件(4)；其中探测电极(22a，22b)包括在固体电解质元件(1)表面形成的第一电极层(22a)和在第一电极层(22a)表面形成的第二电极层(22b)；第一电极层(22a)含有铂和金中的至少一种；第二电极层(22b)含有金和金属氧化物中的至少一种(第一电极层(22a)和第二电极层(22b)的成分相同时除外)。
3.一种测量可燃气体浓度的装置，它包括传导氧离子的固体电解质元件(1)；基准电极(21)和在固体电解质元件表面形成的探测电极(22a，22b)；以及加热固体电解质元件(1)的加热元件(4)；其中探测电极(22a，22b)包括在固体电解质元件(1)表面形成的第一电极层(22a)；在第一电极层(22a)表面形成的第二电极层(22b)和在第二电极层(22b)表面形成的第三电极层；第一电极层(22a)主要含有铂，第二电极层主要含有金，第三电极层含有金属氧化物和任意选择的金。
4.如权利要求1到3中任一项所述的装置，其特征在于，探测电极(22a，22b)仅在固体电解质元件(1)的一部分形成，这一部分与加热元件(4)中加热电阻器(41)的设置位置相对应。
5.如权利要求1到4中任一项所述的装置，其特征在于，探测电极(22a，22b)仅在固体电解质元件(1)的一部分形成，这一部分是从固体电解质元件(1)的末端部分(T)延伸到加热电阻器(41)和加热电阻器引线部分(42)之间的界面(B)附近，加热电阻器和加热电阻器引线部分(42)都设于加热元件(4)内部。
6.一种测量可燃气体浓度的装置，它包括传导氧离子的固体电解质元件(1)；基准电极(21)和在固体电解质元件(1)表面形成的探测电极(22a，22b)；以及加热固体电解质元件(1)的加热元件(4)；其中探测电极(22a，22b)含有金和任意选择的铂，并且该探测电极仅在固体电解质元件(1)的一部分形成，这一部分是从固体电解质元件(1)的末端部分(T)延伸到加热电阻器(41)和加热电阻器引线部分(42)之间的界面附近，加热电阻器(41)和加热电阻器引线部分(42)都设于加热元件内部。
7.一种测量可燃气体浓度的装置，它包括传导氧离子的固体电解质元件(1)；基准电极(21)和在固体电解质元件(1)表面形成的探测电极(22a，22b)；以及加热固体电解质元件(1)的加热元件(4)；其中探测电极(22a，22b)包括在固体电解质元件(1)表面形成的第一电极层(22a)和在第一电极层(22a)表面形成的第二电极层(22b)组成；第一电极层(22a)含有铂；第二电极层(22b)含有金；第二电极层(22b)是由含有平均晶粒尺寸为1～100微米的金粉的糊浆经过烘烤而形成的。
8.如权利要求1到7中任一项所述的装置，其特征在于，在探测电极层表面形成一层扩散层(5)。
9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，扩散层(5)含有能氧化氢和一氧化碳中的至少一种的组分。
10.如权利要求8或9所述的装置，其特征在于，扩散层(5)含有铂和钯中的至少一种。
11.如权利要求1到10中任一项所述的装置，其特征在于，还包括温度控制器(7)，上述温度控制器根据固体电解质元件(1)的内阻控制施加到加热元件(4)上的电压。
12.如权利要求1到11中任一项所述的装置，其特征在于，固体电解质元件(1)的形状为末端封闭的圆柱形；放在固体电解质元件(1)中的加热元件(4)的形状为棒形；固体电解质元件(1)的中心轴线和加热元件(4)的中心轴线基本相互同轴；加热元件(4)末端的至少一部分与固体电解质元件(1)底部的内表面接触。
13.如前述任一项权利要求所述的装置，其特征在于，所述探测电极(22a，22b)含有金和金属氧化物，所述金属氧化物是下列金属中的至少一种的氧化物In，Fe，Ta，Ga，Sr，Eu，W，Ce，Ti，Zr，Sn和/或过渡金属，以及它们的混合物。
14.如前述任一项权利要求所述的装置，其特征在于，所述可燃气体包括碳氢化合物气体。
15.一种测量可燃气体浓度的方法，其采用前述任一项权利要求中所述的装置，周期性地测量固体电解质元件(1)的内阻，并且控制施加到加热元件(4)上的电压以使内阻保持恒定。
全文摘要
公开一种测量可燃气体浓度的装置和方法,该装置和方法对氧气浓度和温度的变化都有低的依赖性。该装置包括传导氧离子的固体电解质元件;基准电极和在固体电解质元件表面形成的探测元件;以及加热固体电解质元件的加热元件;其中探测电极含有金和金属氧化物。
文档编号G01N27/407GK1277354SQ0010803
公开日2000年12月20日 申请日期2000年6月9日 优先权日1999年6月10日
发明者藤田弘辉, 加藤健次, 井上隆治, 北野谷昇治, 夫马智弘, 大岛崇文 申请人:日本特殊陶业株式会社