(57)【要約】  多成分流体組成物センサおよび多成分流体濃度センサのシステムおよびその方法。このシステムは、複数のセンサ要素を用いて構成され、それによって、各々が複数の流体成分混合物の異なる組み合わせおよび異なる濃度に明確に応答することを可能にする。これらの応答を捕え、最初の校正シーケンスの間にルックアップテーブルに送ることが可能であるため、同じガスの未知の混合物の連続した測定値が、ルックアップテーブル内にある公知の状態と一致し、流体濃度を推定することができる。複数の変数が未知数以上の方程式を必要とする、すなわち「３つの方程式と３つの変数」を解く方法と同様に、流体混合物に対して固有の応答を有する検出要素の数は、検知表面上で活性である未知の流体要素の数と等しくなるべきである。検知表面によって測定された効果を、測定されている活性流体に影響を受けない関連する対照に対して判定することができるように、基準表面は、流体組成物センサと流体濃度センサの中にも存在しうる。【選択図】図１Ｂ
2018522228.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の時間中に流体流内の少なくとも１つの流体成分の濃度を測定するためのシステムであって、前記システムが：
流体入口ポートおよび流体出口ポートを備える内部部分を規定し、および流体入口ポートから流体出口ポートまでの流体流の流れを受け入れるように構成されるハウジングと；
ハウジング内に位置し、基準センサに接続され、および第１の時間中にハウジング内部の基準温度値、基準光学値、または基準形態学値を測定するように構成された基準センサ基板と；
ハウジング内に位置し、およびハウジング内で流体流内の第１の流体成分の存在または能動性によって引き起こされる、温度値の第１の偏差、光学値の第１の偏差、または形態学値の第１の偏差を測定するように構成された第１の能動センサと；
第１の能動センサおよび基準センサと通信するプロセッサと、を含み、
前記プロセッサが、
温度値の第１の偏差、光学値の第１の偏差、または形態学値の第１の偏差を、第１の流体成分に関する複数のあらかじめ決められた偏差温度値、偏差光学値、または偏差形態学値の記憶されたライブラリと比較すること、および
温度値、光学値または形態学値の第１の偏差を、同等のあらかじめ決められた偏差温度、偏差光学値、または偏差形態学値と一致させること、
によって第１の時間中に流体流内の第１の流体成分の濃度を測定するように構成される、
ことを特徴とする、システム。
【請求項２】
第１の流体成分に加えて流体流内のｎ個の流体成分であって、ｎが１以上の整数である、ｎ個の流体成分と；
ｎ個の能動センサであって、能動センサの各々が、ハウジング中に位置し、ハウジング内で流体流内の流体成分のうち１つの存在または能動性により引き起こされた温度値、光学値または形態学値の別個の偏差を測定するように構成される、ｎ個の能動センサと；
をさらに含み、
前記プロセッサが、ｎ個の能動センサの各々と通信し、
温度値、光学値、または形態学値の各別個の偏差を、ｎ個の流体成分の各々に対する複数のあらかじめ決められた温度値、光学値、または形態学値の記憶されたライブラリと比較すること、および
温度値、光学値または形態学値の各別個の偏差を、同等のあらかじめ決められた偏差温度値、偏差光学値または偏差形態学値と一致させること、
によって、第１の時間中に流体流内のｎ個の流体成分の各々の濃度を測定するように構成される、
ことを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
第１の時間中に流体流内の少なくとも１つの流体成分の濃度を測定するためのシステムであって、前記システムが：
流体入口ポートおよび流体出口ポートを備える内部部分を規定し、ならびに流体入口ポートから流体出口ポートまでの流体流の流れを受け入れるように構成されるハウジングと；
ハウジング内に位置し、基準温度センサに接続され、および第１の時間中にハウジング内部の絶対温度値を測定するように構成された非触媒基準センサ基板と；
ハウジング内に位置し、流体流が第１の活性触媒センサの表面と接触する第１の時間中に流体流内の触媒可能な第１の流体成分を触媒するように構成された第１の活性触媒センサであって、触媒可能な第１の流体成分の触媒作用が、絶対温度値からの第１の活性触媒センサの表面における温度値の第１の偏差を結果としてもたらす、第１の活性触媒センサと；
第１の活性触媒センサに接続され、および温度値の第１の偏差を測定するように構成された第１の温度センサと；
第１の温度センサおよび基準温度センサと通信するプロセッサと、を含み
前記プロセッサが：
温度値の第１の偏差を、第１の活性触媒センサにより触媒されている第１の流体成分に関する複数のあらかじめ決められた偏差温度値の記憶されたライブラリと比較すること、および
温度値の第１の偏差を、同等のあらかじめ決められた偏差温度値に一致させること、
によって、第１の時間中に流体流内の第１の流体成分の濃度を測定するように構成される、
ことを特徴とする、システム。
【請求項４】
第１の流体成分に加えて流体流内のｎ個の触媒可能な流体成分であって、ｎが１以上の整数である、ｎ個の触媒可能な流体成分と；
ハウジング中に位置するｎ個の異なる活性触媒センサであって、流体流がｎ個の異なる活性触媒センサの各々の表面と接触する第１の時間中に、活性触媒センサの各々が、流体流内のｎ個の触媒可能な流体成分の各々のうち１つを触媒するように構成され、ｎ個の触媒可能な流体成分の触媒作用が、ｎ個の異なる活性触媒センサの各々の各表面における温度値の別個の偏差を結果としてもたらす、異なる活性触媒センサと；
ｎ個の温度センサであって、温度センサの各々が、ｎ個の異なる活性触媒センサのそれぞれのうち１つに取り付けられ、ｎ個の異なる活性触媒センサの各々の各表面における温度値の別個の偏差を測定するように構成される、温度センサと；
をさらに含み、
前記プロセッサが、ｎ個の温度センサの各々と通信し、
温度値の各別個の偏差を、ｎ個の異なる活性触媒センサの各々により触媒されているｎ個の触媒可能な流体成分の各々に関する複数のあらかじめ決められた偏差温度値の記憶されたライブラリと比較すること、および
温度値の各別個の偏差を、同等のあらかじめ決められた偏差温度値に一致させること、
によって、第１の時間中に流体流内のｎ個の流体成分の各々の濃度を測定するように構成される、
ことを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
ｎ個の異なる活性触媒センサの少なくとも１つが、遷移金属または遷移金属カルコゲンであることを特徴とする、請求項２に記載のシステム。
【請求項６】
ｎ個の異なる活性触媒センサの少なくとも１つが、銅（Ｃｕ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、ルテニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、酸化バナジウム（Ｖ２Ｏ５）、またはこれらのうちの２以上の混合物から構成される群から選択されることを特徴とする、請求項３に記載のシステム。
【請求項７】
ｎ個の触媒可能な流体成分の少なくとも１つが、酸化窒素（ＮＯｘ）、一酸化炭素（ＣＯ）、未燃炭化水素（ＨＣ）、およびアンモニア（ＮＨ３）から構成される群から選択されることを特徴とする、請求項４に記載のシステム。
【請求項８】
ｎ個の異なる活性触媒センサの少なくとも１つが、非活性基板に取り付けられることを特徴とする、請求項２に記載のシステム。
【請求項９】
非活性基板が、タンタル（Ｔａ）、および窒化アルミニウム（ＡｌＮ）から構成される群から選択されることを特徴とする、請求項６に記載のシステム。
【請求項１０】
非触媒基準センサ基板が、タングステン（Ｗ）から構成される群から選択されるコーティングを含む、請求項２に記載のシステム。
【請求項１１】
非活性基板が外側表面および内部表面を含むチューブ形状であり、ｎ個の異なる活性触媒センサの少なくとも１つがチューブ形状の非活性基板の外部に取り付けられ、それぞれの温度センサがチューブ形状の非活性基板の内部表面に取り付けられることを特徴とする、請求項６に記載のシステム。
【請求項１２】
ｎ個の温度センサの少なくとも１つが、光ファイバー温度センサ、測温抵抗体、および熱電対から構成される群から選択されることを特徴とする、請求項２に記載のシステム。
【請求項１３】
ｎ個の温度センサの少なくとも１つが光ファイバー温度センサであり、前記光ファイバー温度センサが光ファイバーセンサインタロゲータに取り付けられていることを特徴とする、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１４】
第１の時間中に、流体流内の少なくとも１つの流体成分の濃度を測定するための方法であって、前記方法が：
システムを提供するステップであって、前記システムが、
流体入口ポートおよび流体出口ポートを備えた内部部分を規定するハウジングと；
ハウジング内に位置し、および基準温度センサに接続された非触媒基準センサ基板と；
ハウジング内に位置する第１の活性触媒センサと；
第１の活性触媒センサに接続された第１の温度センサと；
第１の温度センサと通信するプロセッサと；
を含む、ステップと；
ハウジングの内部部分を介し、流体入口ポートから流体出口ポートまで流体流を提供するステップと；
非触媒基準センサ基板を用いて、第１の時間中にハウジング内部の絶対温度値を測定するステップと；
流体流が第１の活性触媒センサの表面と接触する第１の時間中に、第１の活性触媒センサを用いて、流体流内の触媒可能な第１の流体成分を触媒するステップであって、触媒可能な第１の流体成分の触媒作用が、第１の活性触媒センサの表面で絶対温度値からの温度値の第１の偏差を結果としてもたらす、ステップと；
第１の温度センサを用いて、温度値の第１の偏差を測定するステップと；
プロセッサを用いて、
温度値の第１の偏差を、第１の活性触媒センサにより触媒されている第１の流体成分に関する複数のあらかじめ決められた偏差温度値の記憶されたライブラリと比較すること、および
温度値の第１の偏差を、同等のあらかじめ決められた偏差温度値に一致させること、
によって、第１の時間中に流体流内の第１の流体成分の濃度を測定するステップと、
を含むことを特徴とする、方法。
【請求項１５】
システムを提供するステップがさらに：
第１の流体成分に加えて流体流内のｎ個の触媒可能な流体成分であって、ｎが１以上の整数である、ｎ個の触媒可能な流体成分と；
ハウジング中に位置するｎ個の異なる活性触媒センサと；
各々が、ｎ個の異なる活性触媒センサのそれぞれのうち１つに取り付けられる、ｎ個の温度センサと、
を含むシステムを提供するステップ、
を含むことを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
【請求項１６】
ｎ個の異なる活性触媒センサの各々によって、流体流がｎ個の異なる活性触媒センサの各々の表面と接触する第１の時間中に、流体流内のｎ個の触媒可能な流体成分の各々のうち１つを触媒するステップであって、ｎ個の触媒可能な流体成分の触媒作用が、ｎ個の異なる活性触媒センサの各々の各表面における温度値の別個の偏差を結果としてもたらす、ステップと；
ｎ個の温度センサの各々によって、ｎ個の異なる活性触媒センサの各々の各表面における温度値の別個の偏差を測定するステップと；
プロセッサを用いて
温度値の各別個の偏差を、ｎ個の異なる活性触媒センサの各々により触媒されているｎ個の触媒可能な流体成分の各々に関する複数のあらかじめ決められた偏差温度値の記憶されたライブラリと比較すること、および
温度値の各別個の偏差を、同等のあらかじめ決められた偏差温度値に一致させること、
によって、第１の時間中に流体流内のｎ個の流体成分の各々の濃度を、測定するステップと、
を含むことを特徴とする、請求項１２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
＜関連出願のデータ＞
この出願は、２０１５年６月１６日に出願された特許文献１の優先権を主張し、その内容は、その全体を参照することによって本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本開示は一般的に、インサイチュの流体組成物および流体濃度検知／測定のための、システムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
ＮＯｘセンサの様々な従来の形状が、公知である。大型のＩＣエンジン産業および運送業において使用されるような、本技術分野の大量生産されるコンパクトなＮＯｘセンサの現況は、多様性において非常に制限されており、全て固形状の電気化学的な拡散技術に基づき、それは４０年の月日が経過した技術である、もとの固形状の電気化学式酸素センサに基づいている。
【０００４】
次の２つの特許、特許文献２（「Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ，  ｏｘｙｇｅｎ  ｐｕｍｐｉｎｇ  ａｎｄ  ｓｅｎｓｉｎｇ  ｃｅｌｌｓ，  ｅｘｈａｕｓｔ  ｇａｓｅｓ」）および特許文献３（「ＮＯｘ  ｓｅｎｓｏｒ  ｈａｖｉｎｇ  ｃａｔａｌｙｓｔ  ｆｏｒ  ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｎｇ  ＮＯｘ」）が発行されて以来、拡散ベースの電気化学検出方法から構成される大量生産されるＮＯｘセンサの、現在の技術に取って代わる際立った市場競争は現われていない。歴史的な注釈として、前述のＮＯｘセンサは、ラムダ（酸素）センサ、特にＲｏｂｅｒｔ  Ｂｏｓｃｈ  Ｇ．Ｍ．Ｂ．Ｈの１９７６年の特許文献４（「Ｍｅｔｈｏｄｓ  ｆｏｒ  ｐｒｏｄｕｃｉｎｇ  ｏｘｙｇｅｎ−ｓｅｎｓｉｎｇ  ｅｌｅｍｅｎｔ，  ｐａｒｔｉｃｕｌａｒｌｙ  ｆｏｒ  ｕｓｅ  ｗｉｔｈ  ｉｎｔｅｒｎａｌ  ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ  ｅｎｇｉｎｅ  ｅｘｈａｕｓｔ  ｅｍｉｓｓｉｏｎ  ａｎａｌｙｓｉｓ」）に基づいていた。
【０００５】
大量生産または市場での採用をまだ達成していない関連業者、すなわちＮｅｘｔｅｃｈ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，  Ｌｔｄ．は、特許文献５を用いて、連続拡散ステップおよび酸素センサ検出技術を避ける方法を使用する。Ｎｅｘｔｅｃｈは、ＮＯｘを酸素イオンへと直接還元し、続いて電流測定装置へと注入することにより、これを達成する。これは先行技術を超える進歩である一方、なお既存技術および現存技術由来である。実際に、それは、特殊素材を介して電気的に汲み出され、続いて測定される酸素イオンに対して電流測定応答を生み出す、固体電解質を介する酸素移動を用いる既存の技術を役立て、それによって、間接的な手段によってＮＯｘ濃度を推量する。しかし、こうすることで、Ｎｅｘｔｅｃｈ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓは、古典的な酸素センサに基づくシステムに固有の時間遅延のいくつか（しかし全てではない）を克服した。
【０００６】
内燃機関アプリケーションのための既存のインサイチュのＮＯｘセンサ全てを実質的に表わす、他の大量生産される関連技術において、測定ガス（すなわち排気流）内に含まれるＮＯｘの濃度は、第１および第２の電気化学的な検知要素を使用して測定され、検知要素の各々は、酸素ポンピングセルおよび酸素検知セルを含む。第１および第２の検出部のポンピングセルと検知セルの各々は、固体電解質および１対の電極から構成される。導入測定ガスに晒される、第２の検出部の酸素ポンピングセルおよび酸素検知セルの電極の少なくとも１つは、測定ガス内の含まれていた窒素酸化物を還元するための、ロジウムなどの触媒を用いて製造される触媒電極として使用される。酸素はＮＯｘの還元副産物である。したがって、第２のセンサ要素（電気化学式酸素センサ）は、触媒電極の触媒によって還元された窒素酸化物の結果として生成された測定ガスの酸素分圧を検出することができる。ＮＯｘ濃度は、第１および第２のセンサ要素の２つの出力間の差異に基づいて測定され、第１および第２のセンサ要素によって検出された測定ガスのそれぞれの部分の酸素分圧を表す。この方法を使用する酸素濃度測定の正確な方法は、インピーダンスに基づく、またはＮｅｘｔｅｃｈが言及したような電流測定センサ式の電位差測定の混成電位を使用することができる。
【０００７】
従来の技術分野に関する主な問題は第１に設計に固有の測定における遅延から生じる。特に、大量生産されるＮＯｘセンサは、ラムダ（酸素）センサに基づくため、多室型センサ内での各単一（および連続）測定には最大０．５秒かかりうる。これは、測定がセンサ内の２つの独立したチャンバーにおいて行われ、そして排気ガスが一方を介して他方へと連続して流れ込むためである。気体は、第１のチャンバーに到達するように排気流から拡散バリアへ流れ、ネルンストセル（簡易な酸素センサー）を使用して、遊離酸素を「汲み出す（ｐｕｍｐ）」。この第１のネルンストセルを動作させるための電流は、排気酸素の含有量（ラムダ）を測定するために使用される。遊離酸素を取り除き、その後、ＮＯｘを残して、別の拡散バリアを通って第２の測定チャンバーへと移動させる。この時点で、ＮＯｘ分子は触媒要素に出会い、それがＮＯｘ分子を窒素および酸素ガスへと分解する。その後、第２のネルンストセルはチャンバーから新しく生成された酸素を汲み出すために使用され、この電流は排気中のＮＯｘレベルを算出するために使用される。その後、残留窒素ガスは、第２の測定チャンバー内の出口ポートから流れ出る。既存のＮＯｘセンサ設計内にある拡散バリアと結合したとき、全体の測定遅延は数秒程度である可能性がある。システムが古くなるにつれて、このプロセス所要時間はさらに増大する可能性がある。Ｎｅｘｔｅｃｈはこの技術を進歩させたが、それらの５０ミリ秒の応答時間の原因となる、結晶基板を介する酸素イオンの拡散処理がなお存在する。
【０００８】
したがって、流体組成物および流体濃度の検出／測定における遅延を排除するため、および内燃機関エンジンの触媒コンバータなどの触媒装置の効率の全体的な指示／測定を特定の時点において提供するために、機構または構造形態を含むインサイチュの流体組成物および流体濃度の検出／測定のための改善された装置および方法に関する必要性が当技術分野において存在する。
【０００９】
関連技術のセクションの免責条項の説明：特定の特許／刊行物／製品／システムが本出願の背景技術のセクションまたは他の場所に記載される範囲まで、これらの議論は、議論された特許／刊行物／製品／システムが特許法の目的のための先行技術であるということを認めているとは受け取られるべきではない。例えば、議論された特許／刊行物／製品のいくつか、またはそれら全ては、十分に早期なものではない可能性があり、十分に早期に開発された内容を反映しない可能性があり、および／または特許法目的のための先行技術になるように十分に可能となるものではない場合がある。特定の特許／刊行物／製品／システムがこのバックグラウンドセクションにおいて、および／または、出願の全体にわたって上に論じられる範囲まで、それらの記載／開示は全て、それぞれの全体（複数可）における本明細書への参照によってこの方法で組み込まれる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】米国仮出願第６２／１８０，０９９号明細書
【特許文献２】米国特許第４７７０７６０号明細書
【特許文献３】米国特許第４９２７５１７号明細書
【特許文献４】米国特許第３９７８００６号明細書
【特許文献５】国際公開第２０１３１３４７３８号Ａ１
【発明の概要】
【００１１】
本開示は、第１の時間に、流体流中の少なくとも１つの流体成分の濃度を測定するための本発明のシステムおよび方法を対象とする。本明細書において、様々な実施形態および実装は、多成分流体組成物センサおよび多成分流体濃度センサのシステムを含むシステムを対象とする。そのシステムは、少なくとも１つおよび好ましくは複数のセンサ要素を用いて構成され、それによって、各々が複数の流体成分混合物の異なる組み合わせおよび濃度に明確に応答する。これらの応答を捕え、最初の校正シーケンスの間にルックアップテーブル／蓄積されたライブラリに送ることが可能であり、同じ気体の混合物の未知の濃度の連続した測定値がルックアップテーブル内にある公知の状態と一致し、流体濃度を推定することができる。複数の変数が未知数以上の方程式を必要とする、すなわち「３つの方程式と３つの変数」を解く方法と同様に、流体混合物に対して固有の応答を有する検知要素の数は、検知表面上で活性である未知の流体要素の数と等しくなるべきである。検知表面によって測定された効果を、測定されている活性流体に影響を受けない関連する対照に対して判定することができるように、基準表面は、流体組成物センサと流体濃度センサの中にも存在する。特にそのようなパラメータが流体組成物および液体濃度センサの出力に影響を与えるとき、多成分流体組成物センサおよび多成分流体濃度センサのシステムは、ＮＯｘセンサまたは関連する技術の場合において、酸素センサ、燃料フロー、および質量流量などのＩＣエンジンプラットフォーム上の他のセンサと共に動作することができる。上記の場合には、これらの外部センサ値からの値は、最初の装置校正プロセスの期間中にルックアップテーブル内に含まれうる。
【００１２】
他の実施形態および実装に従って、流体流中の触媒可能な流体成分の濃度に関する関連情報／メッセージ／アラートは、無線でまたは有線接続を介して、計算装置のユーザインターフェース上の本明細書に記載されるシステムのユーザーに提供されうる。
【００１３】
一般的に、１つの態様では、システムは、第１の時間に流体流中の少なくとも１つの流体成分の濃度を測定するために提供され、該システムは：流体入口ポートおよび流体出口ポートを備える内部部分を規定し、流体入口ポートから流体出口ポートまでの流体流の流れを受け入れるように構成されるハウジングと；ハウジング内に位置し、基準センサに接続され、および第１の時間中にハウジング内部の基準温度値、基準光学値、または基準形態学値を測定するように構成された基準センサ基板と；ハウジング内に位置し、およびハウジング内で流体流内の第１の流体成分の存在または能動性によって引き起こされる、温度値の第１の偏差、光学値の第１の偏差、または形態学値の第１の偏差を測定するように構成された第１の能動センサと；第１の能動センサおよび基準センサと通信するプロセッサと、を含み、該プロセッサは、温度値の第１の偏差、光学値の第１の偏差、または形態学値の第１の偏差を、第１の流体成分に関する複数のあらかじめ決められた偏差温度、光学値、または形態学値の記憶されたライブラリと比較すること、および温度値、光学値または形態学値の第１の偏差を、同等のあらかじめ決められた偏差温度、光学値または形態学値と一致させること、によって、第１の時間中に流体流内の第１の流体成分の濃度を測定するように構成される。対応する方法は、本システムを提供する工程、基準温度値、基準光学値または基準形態学値を測定する工程；流体成分の各々の存在または能動性によって引き起こされたそれぞれの偏差値を測定する工程、およびそれぞれの偏差値に基づいて各流体成分の濃度を測定する工程を含む。
【００１４】
一般的に、別の態様では、システムは、第１の時間中に流体流内の少なくとも１つの流体成分の濃度を測定するために提供され、該システムは、流体入口ポートおよび流体出口ポートを備える内部部分を規定し、および流体入口ポートから流体出口ポートまでの流体流の流れを受け入れるように構成されるハウジングと；ハウジング内に位置し、基準温度センサに接続され、および第１の時間中にハウジングの内部の絶対温度値を測定するように構成された非触媒基準センサ基板と；ハウジング内に位置し、および第１の活性触媒センサの表面と接触する第１の時間中に、流体流が流体流内の触媒可能な第１の流体成分を触媒するように構成された第１の活性触媒センサであって、触媒可能な第１の流体成分の触媒作用が、絶対温度値からの第１の活性触媒センサの表面における温度値の第１の偏差を結果としてもたらす、第１の活性触媒センサと；第１の活性触媒センサに接続され、および温度値の第１の偏差を測定するように構成された第１の温度センサと；第１の温度センサおよび基準温度センサと通信するプロセッサと、を含み、該プロセッサが、温度値の第１の偏差を、第１の活性触媒センサにより触媒されている第１の流体成分に関する複数のあらかじめ決められた偏差温度値の記憶されたライブラリと比較すること、および温度値の第１の偏差を、同等のあらかじめ決められた偏差温度値に一致させること、によって、第１の時間中に流体流内の第１の流体成分の濃度を測定するように構成される。
【００１５】
別の態様において、一般的に、方法は、第１の時間中に流体流内の少なくとも１つの流体成分の濃度を測定するために提供され、該方法は、システムを提供するステップであって、該システムが、流体入口ポートおよび流体出口ポートを備えた内部部分を規定するハウジングと；ハウジング内に位置し、および基準温度センサに接続された非触媒基準センサ基板と；ハウジング内に位置する第１の活性触媒センサと；第１の活性触媒センサに接続された第１の温度センサと；第１の温度センサと通信するプロセッサと；を含む、ステップと；ハウジングの内部部分を介し、流体入口ポートから流体出口ポートまで流体流を提供するステップと；非触媒基準センサ基板を用いて、第１の時間中にハウジング内部の絶対温度値を測定するステップと；第１の活性触媒センサを用いて、流体流が第１の活性触媒センサの表面と接触する第１の時間中に、流体流内の触媒可能な第１の流体成分を触媒するステップであって、触媒可能な第１の流体成分の触媒作用が、第１の活性触媒センサの表面で絶対温度値から温度値の第１の偏差を結果としてもたらす、ステップと；第１の温度センサを用いて、温度値の第１の偏差を測定するステップと；プロセッサを用いて、温度値の第１の偏差を、第１の活性触媒センサにより触媒されている第１の流体成分に関する複数のあらかじめ決められた偏差温度値の記憶されたライブラリと比較すること、および温度値の第１の偏差を、同等のあらかじめ決められた偏差温度値に一致させること、によって、第１の時間中に流体流内の第１の流体成分の濃度を、測定するステップと、を含む。
【００１６】
本開示のために本明細書において使用されるように、用語「プロセッサ」は、一般的に、本明細書に記載されるシステムまたは方法の少なくとも１部分の動作に関する機器を説明するために使用される。プロセッサは、本明細書において論じられる各種機能／方法のステップを実行するために、多数の方法（例えば専用ハードウェアを用いるなどの）で実行されうる。プロセッサは、本明細書において論じられた各種機能／方法のステップを実行するために、ソフトウェアを使用してプログラムされてもよい１つ以上のマイクロプロセッサーを使用することができる。プロセッサは、１つ以上の記憶媒体またはメモリ（持ち運び可能であってもよい）に関連付けられてもよい。いくつかの実装では、記憶媒体は１つ以上のプログラムを用いてエンコードされてもよく、それが１つ以上のプロセッサおよび／または制御装置上で実行されたとき、本明細書で論じられる機能／方法のステップの少なくともいくつかを実行することができる。本明細書で使用されるとき、用語「計算装置」は、汎用コンピュータ、モバイルデバイス、スマートフォン、タブレット（ならびにプロセッサおよびネットワーク接続を備え、有線接続または無線接続を介して他の構成要素と通信することができる任意の他の固定またはコンピュータ化されたモバイル装置）、カスタム専用計算装置、または、本明細書に記載のアルゴリズム（複数可）／プログラム（複数可）／ソフトウェアをメモリ毎に記憶可能な、およびプロセッサ毎に実行可能な任意の他の計算装置であってもよい（本開示のレビューと併せて当業者に理解されるべきであるように）。計算装置は、モバイルアプリケーションまたは他のアプリケーションを格納し実行してもよい。
【００１７】
計算装置間のデータ伝送、通信、および任意の制御信号は、有線または無線通信に従って送信され、受信されうる。無線通信／伝送は、ネットワークを介して行うことができ、ネットワークは、制限されないが、電話ネットワーク、インターネット、イントラネット、ローカルエリアネットワーク、イーサネット（登録商標）、オンライン通信、オフライン通信、無線通信、および／または同様の通信手段を含む、通信可能な任意の適切な有線または無線ネットワークでありうる。無線送信は、任意の無線プロトコル／技術によって達成することができ、無線プロトコル／技術は、制限されないが、ＺｉｇＢｅｅ標準ベースのプロトコル、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）技術、および／またはＷｉ−Ｆｉ技術を含む。さらにデータを、例えば、データの感度に基づき必要に応じて、暗号化することができる。
【００１８】
本明細書において使用される用語「取り付けられた」は、直接取り付けられた、または間接的に取り付けられたことを言及してもよい。
【００１９】
本明細書において使用される用語「接続された」は、直接接続された、または間接的に接続されたことを言及してもよい。
【００２０】
本明細書において注記される「時点」または「時間」は、インスタントン時点（ａｎ  ｉｎｓｔａｎｔｏｎｓ  ｐｏｉｎｔ  ｉｎ  ｔｉｍｅ）であるか、任意の種類の時間間隔、例えば毎ミリ秒、毎秒、毎分、１５分ごと、または毎時においてそのような時間にわたって得られたサンプルに基づいた任意の時間にわたる値の平均である可能性があり、温度センサが照会され／問い合わせされる回数に依存する。
【００２１】
１つ以上の実施形態の詳細が以下に、そして添付の図面に記載される。本発明の他の目的および利点が部分的に明らかされ、以下に部分的に掲載される。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
本発明は、以下の詳細な説明を添付の図面と共に読むことにより、より完全に理解され認識されるだろう。
【図１Ａ】実施形態に従って、第１の時間中に流体流内の少なくとも１つの流体成分の濃度を測定するように、構成および／またはプログラムされた、組み付けされた状態のシステムの３次元で概略的に表される斜視図である。
【図１Ｂ】実施形態に従って、図１ＡのＡ−Ａに沿ってとられたシステムの概略的に表される断面図である。
【図２】実施形態に従って、インタロゲータおよび計算装置、センサプロセッサ／マイクロプロセッサー１３０を有する計算装置、ならびに車両／エンジンデータバスに接続されるシステムの、図１Ｂに示されるＡ−Ａに沿ってとられた、概略的に表される断面図である。
【図３】実施形態に従って、一般的に、３つの異なる触媒表面（Ｃｕ、ＰｔおよびＲｈ）、および１つの基準表面にわたって、３つの触媒可能な流体成分（ＮＯｘ、ＣＯおよびＨＣ）を含むＩＣ排気流を示すフローチャートである。
【図４】実施形態に従う、多次元プロセスのための３軸手続き型マトリックステーブルである。
【図５】実施形態に従って、図４で略述された概念的で実験的なマトリックスによって生成された、概念的な熱応答曲面の３次元の図面の例示である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
特定の実施形態の以下の詳細な説明は、主張された本発明の範囲を制限するためには使用されるべきでない。本明細書において開示された種の他の特徴、態様および利点は、以下の例示による説明から当業者に明らかとなり、それらは本発明を実行するために熟考された最良の様式の１つある。明らかとなるように、本明細書において記載されるバージョンは、他とは異なる明らかな態様をすべて、本発明から逸脱することなく可能にする。したがって、図面および説明は本質的に例示として見なされるべきであって、限定するものではない。
【００２４】
本開示は、基準測定値に対して測定するような熱的変化、光学的変化、および／または形態学的変化に基づいて、第１の時間中に流体流内の少なくとも１つの流体成分の濃度を測定するための本発明のシステムおよび方法を対象とする。より一般的に、出願人は、固体に熱的、光学的、もしくは形態的変化を付与する能力を有する、液体または気体を含む任意の流体は、本明細書に開示される実施形態を使用して検知するための候補であること、および、吸熱性／発熱性の触媒反応を介して流体流における触媒可能な流体成分の濃度を測定することが有益であることを認識し理解してきた。熱的変化の一例は、関連触媒を介して、酸化している流体および還元している流体（例えばＣＯまたはＮＯｘ）によって付与された熱的効果である。
【００２５】
熱的変化およびトレンド事象は、限定されないがファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）もしくはマルチコア繊維技術などの光ファイバー検知、または熱電対を含むが、これらに限定されない様々な方法を使用して、非常に正確に測定することができる。固体触媒をわたる液体を含む発熱事象の例は、本開示のレビューと併せて当業者により理解され認識されるものでなければならない。光学的変化の一例は、蛍光反応でありうる。光学的事象は集光器、導波管、および／または光ファイバーの助けを借りてモニタリングされうる。形態学的変化の一例は、金属水素化物が水素を帯びて放出するときに受ける、金属水素化物中の可逆的な結晶構造の変化である。測定可能な歪み値を生み出す形態学的変化は、歪み感応ＦＢＧ、マルチコア光ファイバー、または従来の歪みゲージを含む高感度の歪みゲージを使用して、モニタリングすることができる
【００２６】
本開示の非制限的な実施形態は、ＮＯｘ（酸化窒素、ＮＯ、および二酸化窒素、ＮＯ２から構成される）ガスセンサを含む（しかし非制限的である）、インサイチュの内燃機関（ＩＣ）エンジン排気モニタリングとして実行することができる。図面およびＮＯｘセンサの実施形態と併せて以下にさらに記載されるように、この実施形態は、装置ハウジング内の一連の製造された表面に関連し得、前記表面の各は使用される触媒と排気ガスの正確な組成に応じて異なる温度の変化（ΔＴ）と共にＩＣ排気ガスに応答する固有の／異なる触媒を備える。触媒表面はそれぞれ、酸化窒素（ＮＯｘ）、一酸化炭素（ＣＯ）および不焼成炭化水素（ＨＣ）の濃度に対し別々に固有の感度を有することができ；これらの反応パターンは、様々な％のガス組成の関数として、互いに対して多岐に変化することもできる。この変動、および信号応答の数学的な多様化は、異なる温度状況にも拡張することができ、全体的な酸素含有量および質量流量などの他の状況にも拡張することができる。各触媒表面は、排気ガスの所定の混合物において、独自に（異なるΔＴ）反応することができる。非触媒性の基準表面が存在する可能性もあり、その結果、いかなる触媒効果も存在しない、システムの絶対温度が測定されうる。
【００２７】
所定の用途（ディーゼル排気ガス、ガソリン排気ガス等）では、本開示の実施形態は最初に校正され、触媒表面の熱状態は排気ガスの既知の混合物の既知濃度として記録され、ルックアップテーブルまたは「ライブラリ」として計算装置のメモリに記憶されているあらかじめ決められた値の反応マップを生み出す（例えば、特定の時点または時間における流体流内のＮＯｘ、ＣＯおよび未燃炭化水素の既知の濃度の触媒作用による、３つの異なる触媒の表面における基準センサによって記録される絶対温度／基準温度からの特定の偏差／変動する）。校正プロセスは、本発明の予想される最終用途に合わせることができ、値がセンサネットワークにおいて利用可能な第２のセンサからの酸素の含有量および質量流量のような他の変数もまた利用してもよい。
【００２８】
装置の校正は、公知の校正の第２の測定装置を使用して最初に実行されうる。その後、本発明のΔＴ校正反応マップは、基準のルックアップテーブルまたはライブラリが作成されてきたため、公知の校正の第２の装置を用いることなく、続くＩＣ排気ガス濃度測定のためのルックアップテーブル（または類似の手法）に割り当てられうる。これは、センサのすべての部分の温度が常に同じであり、一定のシステム温度の一定の気体混合環境において常に反復可能であるためである。結果として生じる校正反応マップは、測定される所期の気体成分（または、質量流量もしくは背景温度などの他の変数）が存在するのと同数の軸を有することができる。各反応マップ座標値（すなわちｕ、ｖ、ｗ、ｘ、ｙ、ｚ）は、基準センサによって測定された基準表面からの基準温度値−触媒検知表面値である。さらに、ＩＣエンジン制御システム（すなわち、エンジンコンピュータとセンサネットワーク）内で既に測定され捕捉されたセンサデータおよび他のパラメータ（酸素、ＲＰＭ、燃料消費）は、そのような情報を校正マップに組み込むことによって、提案された実施形態の精度をさらに改善するために向上させることができる（本開示のレビューと併せて当業者に理解されるべきであるように）。
【００２９】
実施形態の利点（上に簡潔に説明されたように、以下に記載し、添付の図に示す）は、以下の例となるシステム、方法および使用の説明によって例示される。しかしながら、本明細書に記載された特定の構成要素、用途、機能およびそれらの量、ならびに他の条件および詳細は、当該技術分野で広く適用されると解釈され、本発明を過度に制限または限定するものと解釈されるべきではない。特に、その校正反応マップを有するＮＯｘ関連センサの実施形態は、本明細書に記載された設計原理がどのようなものなのかの単なる一例を表すものであり、測定可能な熱的、光学的、または形態学的変化の広範囲にわたる多くの異なる流体種に適用することができる。
【００３０】
＜模範的な方法および用途＞
一実施形態として、ＮＯｘセンサを使用する本明細書に開示されたシステムは、ＩＣエンジン排気ガスフローまたは流れ（ただし、ＩＣ用途に限定されない）内のＮＯｘを測定するためのインサイチュセンサおよび／またはインラインセンサを含む。本明細書において記載されるように、ここに記載されるシステムの実施形態は、例えばＮＯｘ濃度を測定する方法の部分として、未燃炭化水素および一酸化炭素を測定することができる。一実施形態において、システムは、例えば、ＩＣエンジン排気マニホールドの下流に取り付けられるように構成される。特に低温測定誤差が許容される場合には、電力が動作に必要とされないようにシステムを設計することができる。システムがエンジン始動時（寒冷／周囲温度）に高レベルの精度を提供する必要がある場合、加熱要素を随意に使用することができる。システムの実施形態は、好ましくは、１０００℃への昇温に耐えることができる材料から構築される。外部ハウジング１０１（図１）は、好ましくは、取り扱い、一般的なツールを用いる設置、および／または高温を含む悪環境に耐えるように意図されるステンレス鋼などの、丈夫でさらに比較的不活性な材料から作られる。高温に加えて、アセンブリ／システム全体は、長年にわたる熱サイクル、振動および衝撃などの他の現象に耐えることができ、もしくはアプリケーション要求として代替的な材料選定が予想される様々な化学的環境に耐えることができる。
【００３１】
図１Ａを参照すると、一実施形態において、第１の時間中に、流体流内の少なくとも１つの流体成分の濃度を測定するように構成および／またはプログラムされた組み付け状態の、システム（１００）の３次元の概略的に表される斜視図が示されている。図１Ｂは、図１ＡのＡ−Ａに沿ってとられたシステム（１００）の概略的に表される断面図である。システム（１００）は、１つ以上の以下の構成要素を含んでもよい：ハウジング（１０１）、排気口（１０２）、センサーボルト取付金具（１０３）、組立ねじ（１０４）、光通信ポート（１０５）、位置ぎめピン（１０６）、マルチセンサ光ファイバー（１０７Ａ−Ｄ）（図３に示される）、センサ取り付けねじ切り（１０８）、センサ要素基板（１０９Ａ−Ｄ）（好ましくは熱により互いから分離された）、セラミックセンサ要素ハウジング（１１０）、および流体入口（１１１）。測定されることが望ましい３つの流体成分、ＮＯｘ、ＣＯおよび未燃炭化水素（ＨＣ）を含む流体流（２００）は、入口（１１１）を通り流れ、センサ要素基板（１０９Ａ−Ｄ）の中およびその周囲を流れるように示されている。システム（１００）は、装置ハウジング（１０１）を介する排気ガスの適切な流れを保証する位置において優先的にＩＣエンジン（図示せず）の下流に取り付けられてもよく、その結果、センサ要素基板（１０９Ａ−Ｄ）の動作温度が、前記排気ガス流体成分の最適な触媒転化を保証するような範囲において生じる。検知装置の位置決めおよび動作温度の最適化は、燃焼フローおよび温度特性が各アプリケーションに固有であるため、任意の所定の用途のための設計段階中に生じる（本開示のレビューに併せて当業者に理解され、認識されるべきであるように）。最も好ましい場合には、センサの位置は、その位置の最適化された流れおよび温度値が最適な検知要素性能をもたらすように選択されるだろう。
【００３２】
ハウジング（１０１）は、装置が過酷な環境において機能することを可能にするステンレス鋼または他のそのような材料から製作されうる。ハウジング（１０１）のサイズの下限は、検知要素（１０９Ａ−Ｄ）が構成されうる程度によってのみ制限され、動作環境に耐える能力を依然として維持しており、現在の下限値が、内燃機関エンジンに関連する衝撃、振動、熱サイクル、及びガスフロー速度に耐えることができるような様式でパッケージされる光ファイバー検知要素（直径２５０μｍ、長さ１５ｍｍ）のサイズであり；ハウジング（１０１）のサイズの下限は、概念的には、既存技術の下限である１ｃｍ３と２ｃｍ３との間である。システム（１００）から出る流体は、ハウジング（１０１）（都合のよいように、他の場所に配置することができる）の側面の２つ以上の排気口（１０２）を通って出る。これらの流体ポートは、セラミックセンサ要素ハウジング（１１０）の中にもある。装置は、随意に、本発明をタービンエンジンの排気領域、またはＩＣエンジンの排気マニホールドの内部などの、有用な環境に適切に取り付け可能にする、様々なサイズのいずれかのボルト取付金具（１０３）を有することができる（本開示のレビューと併せて当業者には理解されるべきであるように）。組立ねじ（１０４）は、セラミックセンサ要素ハウジング（１１０）（比較的低い熱伝導率を有し、その中には１つのセンサ要素基板から別の基板への熱エネルギーの移動／相互汚染（ｃｒｏｓｓ  ｃｏｎｔａｍｉｎａｔｉｏｎ）を回避するために、センサ要素基板が取り付けられる）をセンサハウジング（１０１）に、機械的に接続する。センサハウジング（１０１）は、取り扱い、配置、締め付け、および排気流の一部かもしれない異物による損傷などの、機械的作用からセンサ要素ハウジング（１１０）を保護するのみならず；排気センサの位置に関連する温度変化から、センサ要素ハウジングを守る。光通信ポート（１０５）は、装置の外部から、レーザエネルギー源／インタロゲータまで光ファイバーラインが移動するための接続を随意に提供する（図３の参照符号（１２０）を参照）。本開示内の他の場所に開示されるように、システム（１００）の実施形態は、温度測定または通信の光ファイバーの方法に制限されないことに留意すること。位置ぎめピン（１０６）は、組立ねじ（１０４）を締める前に、セラミック要素ハウジング（１１０）がセンサハウジング（１０１）内の適切に位置することを可能にする。マルチセンサ光ファイバー（１０７）は、光ファイバーデータ通信の場合において、センサ要素当たり１つのセンサ領域（例えばファイバーブラッググレーティングまたはマルチコア光ファイバー、ＲＴＤ、従来の熱電対）を有する。これは、複数の近接するセンサ領域を持った１つの単一ファイバーが同じ流路の検知要素の全てをモニタリングすることを可能にする。センサ取り付けねじ切り（１０８）は、装置がターゲットアプリケーションへとねじで留められることを可能にする。
【００３３】
センサ要素基板（１０９Ａ−Ｃ）は３本のチューブとして示され、それら各々は、３つの流体成分の濃度を測定するために、外側表面（しかし内側表面にも可能）が、異なる触媒（例えば遷移金属）、または遷移金属カルコゲン（酸化物、硫化物、セレン化物等）でコーティングされる。基準センサ要素（１０９Ｄ）もチューブとして示されるが、流体がハウジングを通って流れる間に、特定の時間枠でハウジングの内部の絶対温度／基準温度を測定する助けとなるため、触媒でコーティングされない。センサ要素基板（１０９Ａ−Ｃ）は、タンタル（Ｔａ）金属（Ｔａ  ＣＴＥ＝６．５μｍ／ｍ℃、Ｔａ  ＴＣ＝５７Ｗ／ｍＫ）などの高ＴＣを有する低ＣＴＥ材料、または類似の特性を示す他のそのような非触媒材料から構築される。次いで、それらは低ＣＴＥを有するセラミックセンサ要素ハウジング（１１０）内に全て取り付けられる。低ＣＴＥは、シリカから構成された光ファイバーの特性、およびＣＴＥの不一致に関連する機械的な伸びまたは曲がりを与えないようにこのＣＴＥに一致するための要望に関連する。溶融シリカのＣＴＥは、典型的には、１μｍ／ｍ℃以下である。そのようなミスマッチは、光ファイバー信号品質の低下をもたらし、そうでなければ光ファイバーの損傷、劣化または擬似信号発生を導きうる付加的な機械的動作をもたらしうる。このために、９μｍ／ｍ℃、またはアルミナ（８．１μｍ／ｍ℃）、窒化アルミニウム（５．１μｍ／ｍ℃）、マイカ（３μｍ／ｍ℃）またはシリカなどよりも少ないＣＴＥ値を有する、他のセラミックなどの低ＣＴＥ材料から構築された、ハウジング内の任意の光ファイバーセンサを直接配置することが有利である。熱によりセンサ要素信号を分離するか、センサ要素によって熱を伝達することが有利であるかどうかに応じて、低ＴＣ材料または高ＴＣ材料のどちらかを使用することが望ましい可能性がある。光ファイバーシリカ自身は、典型的に２Ｗ／ｍＫ未満である低ＴＣを有する。アルミナなどの一般的なセラミックは、３０Ｗ／ｍＫのＴＣしか有さない。アルミニウムなどの金属は、２００Ｗ／ｍＫを超えるＣＴを有するが、２２μｍ／ｍ℃を超える高ＣＴＥも有し、望まれない成分の膨張を最小化することが重要である可能性があるため、ファイバーを収容する光ファイバーのための使用は望ましくなくなる。窒化アルミニウムは、アルミニウム金属に類似するＣＴ、または１８０Ｗ／ｍＫのＣＴを有する点で、珍しいセラミックである。タンタルのような窒化アルミニウムは、高ＣＴと組み合わせた低ＣＴＥが望ましいときに、有利である。ＩＣアプリケーションにおいて使用されるようなシステム（１００）の温度変動を考慮して、システムのＣＴＥ値は、損傷を回避するために慎重に一致させることが可能である（本開示のレビューと併せて当業者理解されるべきであるように）。内部センサ要素は、測定ガス（ＮＯｘ，ＣＯ，ＨＣ）の濃度の関数である熱応答を示すので、これらのセンサ要素基板（１０９Ａ−Ｃ）は、恐らく、チューブ形状であり（上述され、図に示されるように）、測定ガスがそれらの周りを流れることを可能にし、任意の数の様々な方法を用いて、各チューブの温度を内部から（もしくは触媒が内部でコーティングされている場合は、外側）検出することができる。センサ要素基板（１０９Ａ−Ｄ）は、可能な様々な２Ｄの、様々な１Ｄの、または均一点の検出器の状態で、測定要件およびニーズに適合する、任意の形状にもなりうる。設計の必要性に合う場合、様々な配置および組み合わせが可能であり、ハウジング内の付加的なセンサ要素基板なしに、センサ要素基板（１０９Ａ−Ｃ）の場所、およびその位置で、温度センサ自体を適所でコーティングすることを含む。
【００３４】
本明細書において記載されるように、センサ要素基板（１０９Ａ−Ｃ）の各々（基準センサ要素基板以外のセンサ基板要素）は、異なる／固有の触媒材料および／または、基準物質（ならびにそれらの様々な混合物）でコーティングすることができる。上記の実施形態のセンサ要素は、触媒材料および基準物質を特に含む、いくつかの異種材料のいずれかで優先的にコーティングされる。触媒材料は、制限されないが、銅（Ｃｕ）、プラチナ（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、ルテニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、バナジウム酸化物（Ｖ２Ｏ５）、および他の遷移金属、ならびにそれらの合金または混合物を含む。他の実施形態では、ＮＯｘセンサに加えて、非触媒材料が利用される可能性があり、測定可能な熱のサインまたは均一な測定可能な歪みを残す、有用で反復可能な結晶学的な遷移、または恐らく光学的なサインを示し、したがって、活性検知要素は必ずしも触媒でない。とはいえ、熱的、光学的、歪み、またはいくつかの他の測定可能な事象を生み出す任意の形態学的／化学的活性を生成する多成分組成物内の任意の流体を測定することが可能であったとしても、本開示で「触媒」という用語が使用される。歪み事象の事象では、温度の変化の代わりに検知要素のゆがみを使用しうる。気体ではなく液体で、結晶学的／形態学的歪みが生じる場合には、センサに対する液体の流れの圧力を、物理化学的効果を正確に測定するために指定された基準を用いて減じるべきである。光事象の場合には、光の発生がモニタリングされ、これはセンサ信号を参照により説明される周囲光（もしあれば）を用いて確立するものである。どのように効果を測定することができるか、または、どのような環境変数が考慮される必要があるか、についての制限はない。
【００３５】
基準コーティング材は、より高い融点、良好なＴＣ、およびより高い密度などの、センサコーティング材とあまり変わらない特性を有するべきである。タングステン（不活性（非触媒）材料である）などの基準コーティング材は、熱が流れなければならない有限の厚み、および／またはシステムに質量または体積を加える層を提供することにより、概念的な触媒コーティングの物理的存在に近付くが；そのような基準コーティングは、それ自体で任意の触媒特性を示さない。そのようなコーティングは、基準として使用される最も正確なシステム温度を供給するような方式で基準を構築することが有利であるので、より良い基準信号を提供し；すべての温度センサ信号に影響を及ぼす熱流量、質量、または振動などの機械的作用と、それらが流体センサとしてどのように構成され実行されているかという場合に限り、能動センサの物理的構成に最も近似する。
【００３６】
任意の検知材料または基準材料（すなわち触媒、ブランク）も、いくつかの方法のいずれにおいてもセンサ要素基板（１０９Ａ−Ｃ）の外側に沈着させることができ、その方法として、限定されないが、電気めっき法、化学蒸着法（ＣＶＤ）、ＰＶＤ法（ＰＶＤ）、スパッタリング、ゾルーゲル蒸着、または、純粋な粉体を中位の薄い接合層に付着させる方法が挙げられる。そのような接合層は、できるだけ薄くなれることに加えて、反応時間を最大化し、かつ熱損失を最小化することを可能とするほど高いＴＣを示す可能性がある。使用される様々な材料のＣＴＥは、本発明の最終用途を反映することができ；本発明の大型の熱サイクルはユニットの自己破壊をもたらすべきでない。
【００３７】
検知要素／要素基板の量は、好ましくは、単一成分の触媒現活性的な流体流を測定するために使用するには最小２（１つの触媒、１つの基準）である。この場合、その種の濃度は、単に、１つの検知要素の温度の数学的関数であるが、もしあるとしたら、算出された応答もまた、ネットワーク上で利用可能なデータストリームを用いて、温度、酸素濃度、または他の入力によって変化してもよい（図３のプロセッサ（１３０）によって実行される計算で考慮されうる変数）。触媒反応を受ける全ての付加的な流体成分の存在に関して、各成分の濃度を定量するために、好ましくは、一致する数の固有の／異なる検知要素が存在するべきである。二量体が別個の種（または変数）と見なされないと、分子種とその二量体との間にあらかじめ定義された関係が存在しない限り、この規則に対する変化は好ましくはない。その関係は、複数の方程式を用いて解決されている複数の変数に類似する。また、窒素（Ｎ２）またはアルゴン（Ａｒ）などの、触媒反応当たりの温度変化を介する触媒反応を受けない種の濃度を測定することは可能ではない。それに応じて、Ｎ２、Ａｒおよび他のそのような気体の存在は、効果的に無視することができ、また、そのような流体成分は不活性であるので、これらの使用法において通常無視することができる。
【００３８】
実施形態の典型的なＮＯｘセンサシステムは、４つまたは５つの検知要素を有することができる。ほとんどの場合では、４つの要素は、ＮＯｘに加えて、ＣＯおよびＨＣも含む環境において、ＮＯｘを測定するには十分であろう。また、アンモニア（ＮＨ３）も存在する場合では、例えば、第５のセンサ要素は、ＮＨ３が触媒現象的に作用するため存在する必要があり、連立方程式においてその第４の要素が未知であるため、自身の方程式を必要とするだろう（すなわち、未知の変数を有する代数の触媒の方程式の各々＝触媒反応を受ける特定の触媒可能な流体成分の濃度）。この場合、燃焼流の時点におけるＮＨ３濃度は、ＣＯ、ＨＣおよびＮＯｘに加え、説明される任意のアンモニアスリップを可能にして、同様に算出される（そして、測定される接続したシステムの効率の測定を可能する）。ＮＯｘに加えて、ストリームの中にある活性ガスは全て、ＮＯｘ濃度測定の方法の結果として定量されたそれらの濃度を必然的に有するだろう。少なくとも正確な濃度計算は、システムの全体の不正確さを指摘する。
【００３９】
図２を参照すると、一実施形態において、インタロゲータおよび計算装置、センサプロセッサ／マイクロプロセッサー（１３０）を備える計算装置（１２０）、ならびに車両／エンジンデータバス（１４０）に接続されるシステム（１００）の、図１Ｂに示されるＡ−Ａに沿ってとられた、概略的に表される断面図が示される。手短に言えば、図２は、現代のシステムレベル制御システムおよび関連データバス（１４０）備えるＩＣを動力とする車両などの関連する環境において、システム（１００）が、関連する機器、センサ、およびシステムと共にどのように動作するのかを示す。インタロゲータおよび計算装置（例えばＭｉｃｒｏｎ  Ｏｐｉｃｓからの）（１２０）は、温度読み取り値を示す読み取り値を得るために、センサ要素基板（１０９Ａ−Ｃ）に接続されたファイバー検知要素（１０７）と相互に作用する／を照会するように構成、接続、および／またはプログラムされる（本開示のレビューと共に当業者に理解されるべきであるように）。インタロゲータと計算装置の（１２０）は、センサプロセッサ／マイクロプロセッサー（１３０）を用いて計算装置に通信可能に接続することができるか、同じ計算装置の部分でありうる。計算装置（１２０）／（１３０）の各々は、システム（１００）（例えばセンサ要素基板（１０９Ａ−Ｃ））のハウジングの内部で収集された温度センサ入力に基づくプログラムを実行することができる。各計算装置（１２０）／（１３０）はまた、計算装置（１１０）から物理的に分離されたユーザインタフェース（図示せず）において、分析、計算、測定、およびユーザーへの関連情報の表示（本明細書に記載される濃度の結果）のための特定のアプリケーションを実行して、互いにまたは他の分離した計算装置と協力（無線または有線接続を介して命令または他のデータを通信、受け取り、または提供）してもよい。
【００４０】
例えば、計算装置（１２０）を使用するユーザーは、温度読み取り値に変換できる様々な読み取り値を得るようにインタロゲータにデータ伝送、制御、または通信の信号を光ファイバーセンサ（１０７）（光学的に問い合わせする）へ送信するために、および本明細書に記載される機能のいずれかを実行するように計算装置（１２０）／（１３０）に命令するために、計算装置（１３０）プロセッサ／メモリに送信するように命令することができる（本開示のレビューと併せて当業者によって理解されるはずであるように）。計算装置（１３０）は、本明細書において記載されるように機能する適切な装置のためのルックアップテーブル／ライブラリ（上記のように）へのアクセスを記憶し提供するために、マイクロプロセッサー／プロセッサおよび十分なメモリを含むことができ；「マイクロプロセッサー」は制限する用語でなく、１つ以上のマイクロコントローラ、マイクロコンピュータ、ＰＬＣ、ＣＰＵ、プロセッサ、集積回路、フィールドプログラマブルゲートアレイ、プログラマブル回路および回路の組み合わせを含むことができる。別の言い方をすれば、光学的な呼掛信号は計算装置（１２０）（光学的なインタロゲータを含む）を用いて達成することができ、計算装置（１２０）は、計算装置（１３０）に通信可能に接続しており、校正された出力を実行するようにプログラムされる／構成される（特定の触媒の表面での触媒活性を考慮した温度偏差に基づいて、様々な触媒可能な流体成分の濃度を測定するルックアップテーブル）。
【００４１】
計算装置（１２０）／（１３０）は、車両ソフトウェア／ハードウェアデータ／通信バス（１４０）および関連するプロトコルと相互作用かつ協働するように構成／プログラム／接続され、同様にその時点での排気流の温度、ＮＯｘ含有量、および他の気体濃度情報などの測定されたパラメータ上のセンサ入力を提供することができる。第３のセンサ（１５０）は、ルックアップテーブルの項目および計算のための期待値を含むシステム（１００）の機能を支援するための、付加的な情報、値および制御変数を提供してもよい。
【００４２】
図３を参照すると、実施形態に従って、一般的に、３つの異なる触媒表面（Ｃｕ、ＰｔおよびＲｈ）、および１つの基準表面にわたって、３つの触媒可能な流体成分（ＮＯｘ、ＣＯおよびＨＣ）を含むＩＣ排気流を示すフローチャートが示される。表面の各々は、光ファイバーセンサ（（１０７Ａ−Ｄ））（図２に示されるように、インタロゲータと計算装置（１２０）／（１３０）に接続される）に取り付けられており、センサは各表面の温度における差を検知する。基準温度からの温度の偏差／変動を示す４つの方程式が示されており、基準のための１つの方程式（基準＝０偏差温度値であり、対照である）と、他の３つ（各触媒に対して１つ）が示されている。その後、これらの温度は、ＮＯｘ、ＣＯおよびＨＣ（この例においては５０ｐｐｍとして示される）の濃度を得るために、温度値のライブラリと比較されうる。
【００４３】
これらの例において示される光ファイバーセンサは、マルチコアフォトニックに関し、非常に高感度な光ファイバーベースの温度センサを使用し、排気流成分の触媒還元および／または酸化の過程における活性触媒の表面でみられる熱活性の差をモニタリングする。各触媒は、濃度が経時的に変化するとともに、別々に変化する温度備える、図３に示される３つの気体の存在に独自に対応する。測定すべき未知の流体成分濃度が存在するのと同数の触媒が存在するため、ルックアップテーブルを使用して未知数について解くことで、ＮＯｘ、ＣＯおよび未燃炭化水素の存在および濃度の計算が実行されうる。上述したように、基準Ｔの表面は、これらの種に反応せず、背景温度を提供する。ルックアップテーブルは、次の種の値を測定するために校正プロセス中に作成することができる。
【００４４】
図４を参照すると、一実施形態において、本明細書に記載される多次元のプロセスのための、３軸手続き型のマトリックステーブルが示される。図４は、流体を校正する手続きまたはプロセスを統合する１つの方法を提供する。流体の混合物の様々な組み合わせが導入され、続いて、それらの熱反応によって特徴づけられる。複数および異なる触媒表面は、等燃料環境、等酸素環境および等熱環境において測定されたとき、混合流体に対して反復可能な挙動を示すため、応答曲面は校正の後にルックアップテーブルになる。このようにして、流体濃度は、本実施形態の測定誤差内で、個別の検知要素の応答値をルックアップテーブルにもある全く同じ組み合わせと比較することによって、推測することができる。この場合には、一酸化炭素（ＣＯ）、酸化窒素（ＮＯｘ）および未燃炭化水素（ＨＣ）の３つの活性流体（ここでは気体）から構成される多成分混合物は、中央点が均一な混合物（各々が３３．３％）であり、三角形の各それぞれの頂点においてそれぞれが１００％の濃度であることが示される。この図は、合理的な適合度の数学的な応答曲面を生成することができるように、検知要素を通過する３つの気体の１２の別個の混合物を示す（図５を参照）。これが等温、等酸素、等流量であっても、このようなパラメータおよび他のパラメータは、より複雑な手続き型テーブルを作成するか、または酸素、流量、または温度の値を変化させて行う複数の類似したマトリックスを作成することによって追加されうることに留意されたい（本開示のレビューと併せて当業者によって認識され、理解されるべきであるように）。
【００４５】
図５を参照すると、一実施形態において、図４に略述された概念的な実験的なマトリックスによって生成された、概念的な熱応答曲面の３次元の説明図が示される。３成分より多くの番号を付する表面を伴う実施形態では、これは、特定の変数が制限される高位（４Ｄ、５Ｄ、またはそれ以上）の応答曲面から得られた３Ｄスプライス（ｓｐｌｉｃｅ）となる。この概念的な触媒応答曲面は、様々な発熱性および吸熱性の反応を例示しており、様々な軸は、問い合わせの実施形態に関する、マッピングされた状態（すなわちＣＯ、ＮＯｘ、ＨＣ等の変化）の問い合わせにおいて所定の検知表面の温度の変化である。このグラフは、各センサ要素が特異的で反復可能な反応を有するので、１つ以上の測定された成分が変更されると、任意のデルタを示し、多数の次元のルックアップテーブルが形成される。そのようなグラフ上の軸の数は、全ての検出される変数を適切に説明するために必要とされる、検知要素と任意の外部センサの数の関数である。付加的な次元は、制限されないが、酸素濃度、燃料消費量、ＲＰＭ、または尿素由来のＮＨ３濃度を含む。このようなグラフは、ソフトウェアルックアップテーブル／ライブラリの範囲および幅を例示し、本開示の実施形態も構成する。図５が、全体の応答「曲面」のごく一部分のみしか示していないことと、さらにまた本明細書に記載される概念の例示でしかないことに留意することが重要である。
【００４６】
本明細書において使用される「モジュール」は、とりわけ、ソフトウェアプログラムの特定のコンピューターソフトウェアコードによって表わされる特定の機能の識別を含むことができる。ソフトウェアプログラムは、１つ以上のモジュールを表わすコードを含んでもよく、特定のモジュールを表わすそのコードは、連続するか連続しない行のコードによって表される。
【００４７】
当業者によって理解されるように、本発明の態様は、コンピュータシステム、方法またはコンピュータプログラム製品として具体化／実行されてもよい。コンピュータプログラム製品は、例えば、コンピュータプログラムの命令を実行するコンピュータプロセッサまたはニューラルネットワークを有することができる。したがって、本発明の態様は、全体的にハードウェアの実施形態、全体的にソフトウェアの実施形態、および全体的にファームウェアの実施形態、またはソフトウェア／ファームウェアの態様およびハードウェアの態様を組み合わせる実施形態の形状をとってもよく、それらは、一般的に全て、「回路」、「モジュール」、「システム」、または「エンジン」として本明細書において引用されてもよい。更に、本発明の態様は、内部に具体化されたコンピュータ読み取り可能なプログラムコードを有する、１つ以上のコンピュータ可読媒体で具体化されたコンピュータプログラム製品の形状をとってもよい。
【００４８】
１つ以上のコンピュータ可読媒体の任意の組み合わせも利用されてもよい。コンピュータ可読媒体は、コンピュータ読み取り可能な信号媒体またはコンピュータ可読記憶媒体であってもよい。コンピュータ可読記憶媒体は、例えば、これらに制限されないが、電子、磁気、光学、電磁気、赤外線、または半導体のシステム、装置、またはデバイス、あるいはこれらの任意の適切な組み合わせであってもよい。コンピュータ可読記憶媒体のより具体的な例（非網羅的なリスト）は、以下を含むだろう：１つ以上のワイヤー、ポータブルコンピューターディスケット、ハードディスク、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）、消去可能プログラム可能ＲＯＭ（ＥＰＲＯＭまたはフラッシュメモリー）、光ファイバー、ポータブル読み取り専用コンパクトディスク（ＣＤ−ＲＯＭ）、光記憶装置、磁気記憶装置、またはこれらの任意の適切な組み合わせを有する電気的接続部。本明細書の内容において、コンピュータ可読記憶媒体は、命令実行システム、機器または装置と接続して使用するため、またはそれらと関係して使用するためのプログラムを含むことができる、もしくは記憶することができる、任意の具体的な媒体であってもよい。
【００４９】
プログラムコードは、ユーザーのコンピュータ上で全体的に実行されてもよく、ユーザーのコンピュータ上で部分的に実行されてもよく、スタンドアロンのソフトウェアパッケージとして実行されてもよく、ユーザーのコンピュータ上およびリモートコンピュータ上で部分的に実行されてもよく、または全体的にリモートコンピュータまたはサーバー上で実行されてもよい。後者のシナリオにおいて、リモートコンピュータが、ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）または広域ネットワーク（ＷＡＮ）を含む任意のタイプのネットワークを介してユーザーのコンピュータに接続されてもよいか、外部コンピュータが接続されてもよい（例えば、インターネットサービスプロバイダーを使用しインターネットを介して）。
【００５０】
図面中のフローチャート／ブロックダイアグラムは、本発明の様々な実施形態にかかる、システム、方法およびコンピュータプログラム製品の可能な実施の体系、機能および動作を例示する。この点に関し、フローチャート／ブロックダイアグラム中の各ブロックは、モジュール、セグメント、またはコードの部分を表わしてもよく、特定の論理関数（複数可）を実行するための命令を含む。いくつかの代替的な実施において、ブロックに書かれた機能が、図に書かれた順序から外れて起こってもよいことにも留意するべきである。例えば、連続して示された２つのブロックは実際には実質的に同時に実行されてもよく、あるいは、ブロックは、含まれる機能にしたがってしばしば逆の順序で実行されることもある。ブロックダイアグラムの各ブロック、および／またはフローチャート図、ならびにブロックダイアグラム、および／またはフローチャート図内のブロックの組み合わせは、特定の機能もしくは作用を実行する、または特殊な用途のハードウェアとコンピュータ命令との組み合わせを実行する特殊な用途のハードウェアに基づいたシステムによって、実行されうることも留意されるだろう
【００５１】
本発明のいくつかの実施形態は論じられてきたが、本発明の様々な修正および変形が可能であることが、当業者によって理解されるだろう。そのような修正は本発明の精神および範囲から逸脱しない。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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