JP2016138894A - 被測定流体のイオン濃度を測定するためのシステム、装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】応答速度が速く、製造が容易なＮＯｘセンサを提供する。
【解決手段】測定チャンバ１４０２、一次電気化学セルシステム１４０４及び二次電気化学セルシステム１４０６を備えるイオン濃度センサ１４００で、イオン濃度センサの動作の間、一次ポンプ電流１４１２は、第１の一次ポンプ定電流と第２の一次ポンプ定電流との間で変化し、一次イオンフロー１４０８を変更する。二次ポンプ電流１４１４は、第１の出力信号１４１６と第２の出力信号１４１８との間の関係に基づいて、第１の二次ポンプ定電流と、第２の二次ポンプ定電流との間で変化する。二次ポンプ電流を制御する制御信号のデューティサイクルは、窒素酸化物（ＮＯｘ）濃度を示し、第１の出力信号１４１６は、酸素濃度を示し、第２の出力信号１４１８は、ＮＯｘを酸素及び窒素に触媒的に還元した結果の酸素濃度を示す。
【選択図】図１４

Description

本出願は、２００３年１月３０日に出願された米国仮出願番号６０／４４３，６２８号、発明の名称、「System, Apparatus, And Method For Measuring An Oxygen Concentration Of A Gas」の優先権を主張する、２００３年１１月１日に出願され、現在米国特許番号６，９７８，６５５号が付与されている米国特許出願番号１０／６９９，１８２号、発明の名称、「System, Apparatus, And Method For Measuring An Oxygen Concentration Of A Gas」の分割出願である、２００５年１０月５日に出願され、現在、米国特許番号７，２４９，４８９号が付与されている、米国特許出願番号１１／２４４，２１０号、発明の名称、「System, Apparatus, And Method For Measuring An Oxygen Concentration Of A Gas」の一部継続（ＣＩＰ）出願である、２００７年６月２５日に出願された米国特許出願番号１１／７６７，６２９号、発明の名称、「System, Apparatus, And Method For Measuring An Ion Concentration Of A Fluid」の一部継続（ＣＩＰ）出願である。これらの文献の全体は、引用によって本願に援用される。また、本出願は、全体が引用によって本願に援用される、２００７年６月８日に出願された、米国仮出願番号６０／９４２，７８１号、発明の名称、「Pulse Width Modulation Wideband Ion Sensor」の優先権を主張する。

本発明は、包括的には、イオンセンサに関し、詳しくは、被測定流体のイオン濃度を監視するための装置、システム及び方法に関する。

広帯域イオンセンサは、流体内で特定のイオンの濃度を測定するために使用されており、流体は、気体であっても液体であってもよい。広帯域気体イオンセンサの一般的な使用例としては、混合気体内の酸素濃度を判定（determine）するために酸素センサを使用することが含まれる。気体イオンセンサの他の具体例としては、気体の窒素酸化物を感知する窒素センサが含まれる。従来の多くの内燃機関は、酸素センサを用いて、内燃機関の排気の混合気（air to fuel mixture）を判定する。従来の内燃機関は、通常、演算デバイス、例えば、エンジン吸気流量に応じてエンジン吸気口への燃料を計量する電子制御ユニット（Electronic Control Unit：ＥＣＵ）を用いる電子燃料制御（electronic fueling control）を組み込んでいる。通常、燃料の量は、排気ガスの排出が最小化され、全ての燃料が完全に燃焼するように調整される。完全燃焼のための空気対燃料の理論的な比率は、ガソリンの重量で１４．７であり、これを理論空燃比（ストイキオメトリ：stoichiometric ratio）と呼ぶ。理論的には、全ての使用可能な燃料が全ての吸気と理論空燃比で結合する。理論空燃比に近い領域における実際の空燃比の値を表す単位として、ラムダ（λ）が使用されることが多い。従来の電子燃料システムは、通常、排気の酸素濃度を測定する酸素センサを排気側に備える。これらの酸素センサは、排気内の未燃炭化水素を大気酸素と結合することによって出力電圧を生成する燃料セルとして機能する。これにより、ラムダ／出力伝達曲線が得られ、ここで、１．０のλは、０．４５Ｖの出力電圧に対応する。燃料制御システムは、酸素センサを用いて燃料を調整し、帰還ループを用いて、中負荷条件でλが１．０となるようにする。しかしながら、λが１．０の場合、典型的な酸素センサの伝達曲線は、非常に急峻であり、λの僅かな変動によって、出力電圧に重大な変動が生じる。したがって、測定された電圧は、他のλ値を測定するためには、使用することができない。高負荷条件では、典型的な内燃機関は、１より小さいラムダ値（０．７５〜０．８５）で最大出力を生成する。従来のＥＣＵシステムは、これらの条件下では、「開ループ」モードで動作し、この場合、注入された燃料の体積は、フィードバックなしで吸入空気質量を燃料質量に関連付ける予め保存されているマップのみから導出される。エンジンの経年変化及び製造時のばらつきによって、エンジンの実際の空燃比は変化するので、予め保存された条件は、特定のエンジンについては、常に正しいというわけではない。この結果、従来のシステムには、高負荷条件のときに深刻な非効率が発生するおそれがあるという制約がある。他の多くの広帯域イオンセンサも同様の短所を有している。

エンジン技術における近年の幾つか発展によって、１より大きい（最大１．１）ラムダ比で動作し、燃料の消費を最小化し、特別な触媒コンバータを用いて、排出を最小化する「希薄燃焼（lean-burn：リーンバーン）」システムが生み出された。通常のラムダセンサは、これらのラムダの範囲では使用できないので、「広帯域」又は汎用排気酸素（Universal Exhaust Gas Oxygen：ＵＥＧＯ）センサが開発された。ＵＥＧＯセンサは、排気流に開かれたオリフィスを有する小さい測定チャンバと、標準の酸素センサ（ネルンストセル）と、ポンプセルとを組み合わせて構成されている。ポンプセルは、大気と測定チャンバとの間で酸素を移動させることができる多孔質セラミックの固体デバイスである。ポンプセルを流れる電流（多くの場合、ポンプ電流と呼ばれる。）の方向及び大きさは、酸素イオンの方向及び流量を決定する。従来のシステムには、デバイスの酸素センサ部分の電圧が理論空燃比電圧（stoichiometric voltage）に維持されるように、能動帰還ループが組み込まれている。そして、ポンプ電流を用いて、自由空気の比率を上限とする広範囲に亘る比率に亘って、λ値を決定することができる。

図１Ａは、ポンプ電流とラムダ（λ）との間の典型的な関係のグラフ図である。図１Ａに示すように、ポンプ電流対ラムダ値（λ）を表す曲線は、非線形である。曲線形状は変化しないが、センサの製造公差によって、ポンプ電流対ラムダ（λ）は、異なる大きさになる（すなわち、曲線がシフトする）。このような変動を補償する試みには、測定セルセンサへのコネクタに較正抵抗器を組み込む手法が含まれる。しかしながら、このような試みによる解決策では、全ての変動を解決できない。また、気圧と排気圧もラムダ／ポンプ電流の関係に影響を及ぼす。したがって、これらのセンサの出力は、正確ではない。したがって、上述した全ての変動について、自己較正及び自己補償を行う酸素センサのための測定方法を実現することが望ましい。

また、ポンプ電流対ラムダ曲線は、温度にも強く依存している。典型的なＵＥＧＯセンサは、センサを所望の動作温度に維持するヒータ素子を含む。ヒータ素子の温度係数は、抵抗値の変化（ΔＲ）を温度の変化（ΔＴ）で割った値である。従来の技術では、温度ヒータ素子の正の温度係数を用いて、ヒータ素子を定電圧で動作させることによって、入力を調整している。温度係数Ｒ／Ｔは、動作温度ではかなり小さく、この結果の温度調整は、正確ではない。ポンプセルインピーダンス、ネルンストセルインピーダンス又はこれらの両方は、センサに応じて、遙かに大きい温度係数Ｒ／Ｔを有し、したがって、これらによってより正確な温度制御が可能になる。ポンプセルの温度を制御することは、より有益である。しかしながら、１に近いラムダ値では、ポンプ電流は、非常に小さいか、ゼロであり、低電流では、ポンプセルインピーダンスを正確に測定できない。ネルンストセルは、通常、ポンプセルに物理的に接合され、したがって、ネルンストセルとポンプセルの温度の差は小さい。ネルンストセルインピーダンスを測定するためには、既知の固定電流又は既知の固定電圧をネルンストセルに印加し、そして、この結果の電圧又は電流を測定する必要がある。これに代えて、小さな交流（ＡＣ）電圧又は電流をネルンストセルに印加し、この結果のＡＣインピーダンスを測定してもよい。第１の手法では、しばらくの間、ラムダ測定を停止する必要があり、また、回復を速めるために、ネルンストセルに逆の電圧を印加する必要がある。第２の手法は、測定には干渉しないが、測定信号からＡＣ電圧又は電流を取り除くローパスフィルタが必要である。また、フィルタは、より高い信号周波数をも除去し、この結果、短い過渡応答が検出できなくなる。何れの手法も、ネルンストセルの温度を測定できるが、ポンプセルの温度は測定できない。動作の間、ポンプセルとネルンストセルとの間に温度勾配が発生し、幾らかの温度制御エラーが生じることがある。したがって、ラムダを測定している間、測定アーチファクトを除去するための複雑な回路に頼ることなく、正確なポンプセル温度制御を行うことが望まれる。

更に、従来の燃料計量技術は、酸素センサのウオーミングアップ期間の間に重大な汚染を生じる。ＵＥＧＯセンサを使用する従来のシステムでは、正確な動作温度に達成するまで、ＵＥＧＯ出力値は信頼できない。これにより、実際の空燃比の知識なしで、燃料噴射システムが「開ループ」で動作する時間が長くなる。この結果、エンジンが制御されないウォームアップ汚染を生じる時間は、センサのウォームアップ時間に依存する。したがって、センサが信頼できる値を生成するまでの時間を最短化する、酸素濃度を測定するための装置、システム及び方法も望まれている。

現在の広帯域イオンセンサ、例えば広帯域酸素センサ（ＷＢＯ２センサ）等は、ネルンストセル基準センサ及びポンプセルを単一のパッケージに結合している。ネルンストセルは、セルの電極間の被測定気体の分圧の差に非線形に比例する電圧を生成する電気化学セルである。典型的な酸素センサ用途では、電極は、測定チャンバの一方の側の電極上の大気及び他方の電極上の内燃機関の排気ガスに曝される。電圧は、セルの固体電解質材料を介して移動する酸素イオンによって生成される。ポンプセルは、ネルンストセルであり、セルを介する酸素イオンフローは、電流によって強制される。電流が一方向に流されると、酸素イオンは、外気からセンサに輸送される。電流が逆方向に反転されると、酸素イオンは、センサから外気に輸送される。電流の大きさは、毎秒に輸送される酸素イオンの数を決定する。

ネルンスト電圧は、セル内の電気化学反応の結果として生成される電圧である。セルは、基本的に、燃料セルとして機能する。ネルンスト電圧は、セルの２つの電極間の酸素分圧の差によって生成される。ネルンスト式は、以下のように表される。

Voutput = (R*)(T) / (n)(F) * ln[(Po, air)/(Po, exh)]

ここで、

Voutput = 酸素センサの出力電圧（典型的な範囲は、０〜１．０ボルトである。）

Ｒ＊＝普遍気体定数＝８．３１４３［ジュール／グラムモル＊Ｋ］

Ｔ＝排気ガスの温度［ケルビン］

ｎ＝反応にかかわる電子の数＝４：ＮＢＯ２の場合

Ｆ＝ファラデー定数＝９６，４８０［クーロン／グラムモル］

Ｐｏ，ａｉｒ＝大気内のＯ_２の分圧［パスカル］

Ｐｏ，ｅｘｈ＝排気ガス内のＯ_２の分圧［パスカル］

従来のシステムでは、ネルンストセル及びポンプセルの両方は、オリフィス（拡散ギャップ）によって排気ガスに開かれた非常に小さい測定チャンバ内に取り付けられる。過濃条件（rich condition）の間は、酸素が殆ど又は全くなくなり、測定チャンバ内には、比較的高いレベルの可酸化性の燃焼生成物が生じる。過濃条件においては、ＷＢＯ２コントローラは、全ての可酸化性の燃焼生成物を消費するために必要十分な酸素イオンがチャンバにポンピングされるように、ポンプセル電流を調整する。この動作は、基本的に、測定チャンバ内に理論空燃比条件（stoichiometric condition）を生成する。理論空燃比条件では、ネルンスト基準セルは、０．４５Ｖを生成する。過剰な酸素がある希薄条件（lean condition）では、コントローラは、ポンプ電流を反転させ、全ての酸素イオンが測定チャンバからポンピングされ、理論空燃比条件が戻るようにする。ポンプセルは、チャンバが自由空気によって満たされている場合であっても、測定チャンバから全ての酸素をポンピングできる十分な強さを有する。

このように、従来のシステムのＷＢコントローラの役割は、測定チャンバ内に酸素も可酸化性の燃焼生成物もなくなるように、ポンプ電流を調整することである。必要なポンプ電流は、空気／燃料比の測定値である。しかしながら、従来の広帯域センサは、複数のセルが小さいパッケージ内に結合されているので、生産することが困難である。また、排気ガスへの小さいオリフィスは、センサの性能を制限する排気粒子による汚染又は封鎖の影響を受け易い。更に、従来の広帯域センサでは、２つのデバイス間の物理的分離のために、ネルンスト基準セル出力と、ポンプセル電流の変更との間で遅延が生じる。したがって、改良されたイオンセンサが必要である。

更に、従来の窒素酸化物（ＮＯｘ）センサは、ジルコニア（ＺｒＯ_２）センサを用いて実現されている。従来のＺｒＯ_２センサは、白金（Ｐｔ）電極を用いて、測定される気体のＯ_２含有量を検出する。酸化窒素化合物は、白金（Ｐｔ）だけでは分離されないので、Ｐｔ電極は、ＮＯｘを測定する能力はない。一方、ロジウムと白金の合金は、酸化窒素化合物を分離するために用いることができる。イットリウム安定化ジルコニア電解質を有するセンサは、センサが適切な温度で動作していれば、電極間の酸素（Ｏ_２）分圧の差に比例する出力電圧を生成する。一方の電極が空気に露出され、他方の電極が排気ガスに露出されると、出力電圧は、ネルンスト関係に従う。このように構成されたセルを電流が流れると、セルは、酸素ポンプとして機能し、酸素流（モル／秒）は、電流に比例する。排気側電極がＰｔ−Ｒｈ合金から形成されているセンサも、酸化窒素化合物を分離できる。したがって、ネルンスト電圧は、以下のように表すことができる。

Voutput = (R*)(T) / (n)(F) * ln[(Po, air)/((Po, exh) + (Pn,exh)]

ここで、

Voutput =酸素センサの出力電圧（通常の範囲は、０〜１．０ボルトである。）

Ｒ＊＝普遍気体定数＝８．３１４３［ジュール／グラムモル＊Ｋ］

Ｔ＝排気ガスの温度［ケルビン］

ｎ＝反応にかかわる電子の数＝４：ＮＢＯ２の場合

Ｆ＝ファラデー定数＝９６，４８０［クーロン／グラムモル］

Ｐｏ，ａｉｒ＝大気内のＯ_２の分圧［パスカル］

Ｐｏ，ｅｘｈ＝排気ガス内のＯ_２の分圧［パスカル］

Ｐｎ，ｅｘｈ＝排気ガス内のＮＯｘ化合物の分圧［パスカル］

ＮＯｘは、Ｐｔ−Ｒｈ合金電極においてＮ_２及びＯ_２に分解され、これによって、Ｐｔ−Ｒｈ電極においてＯ_２濃度の局所的上昇が引き起こる。局所的上昇は、Ｐｎによって表される。したがって、ＮＯｘからの分圧は、前記関係に貢献する。しかしながら、従来のＮＯｘセンサは、ディーゼルエンジン等の希薄燃焼エンジンで用いられると、排気内の残留するＯ_２の分圧が、ＮＯｘ化合物の分圧に比べて、非常に高くなるという制約がある。例えば、排気内の残留するＯ_２の分圧は、通常、一桁から複数桁のパーセンテージ範囲にあり、ＮＯｘ化合物の分圧は、１００万分の１（ｐｐｍ）の範囲にある。したがって、排気のＮＯｘ含有量をＯ_２含有量から独立して抽出するイオンセンサも望まれている。

図１Ｂは、従来のＮＯｘセンサのブロック図である。測定される気体（被測定気体）１０２は、第１の拡散ギャップ１０４を介して第１の測定チャンバ１０６に供給される。第１のポンプセル１０８は、第１の測定チャンバ１０６に残留する気体の酸素濃度が相対的に低くなるまで、第１の測定チャンバ１０６から、大気又は周囲の排気ガスに酸素イオンをポンピングする。この酸素が低減された気体の一部は、第２の拡散ギャップ１１０を介して第２の測定チャンバ１１２に拡散する。第２の測定チャンバ１１２内の第２のポンプセル１１４は、第２の測定チャンバ１１２の気体に露出された、白金（Ｐｔ）及びロジウム（Ｒｈ）合金からなる電極１１６を含む。この合金のロジウムには、第２の測定チャンバ１１２内の測定気体の窒素酸化物（ＮＯｘ）を窒素（Ｎ_２）及び酸素（Ｏ_２）に分離する触媒特性がある。この結果、第２の測定チャンバ１１２の酸素（Ｏ_２）濃度は、僅かに上昇する。第２のポンプセル１１４には定電圧が印加され、このポンプセル１１４を流れる電流が測定される。ＮＯ_２含有量測定は、第２のポンプセル１１４を流れる電流に基づいている。酸素測定セル１２０は、ポンプセルに亘る電圧がＺｒＯ_２固体電解質を電気分解してポンプセルを破壊する点にまで濃度が低下しないようにしながら、非常に低いＯ_２濃度を維持するようにポンプ電流を調整するためのフィードバックをポンプセルに提供する。しかしながら、この従来の手法は、幾つかの点で制約がある。測定される電流は、比較的小さく（ナノアンペアの範囲）、この結果、電磁雑音に非常に影響されやすい。更に、このような従来のセンサは、少なくとも部分的な要因として、複数の拡散ギャップがあるために、製造が困難である。また、第１の測定チャンバ１０６と第２の測定チャンバ１１２との間の気体濃度差は、非常に小さい。したがって、第２の拡散ギャップ１１０を介する拡散フローは、かなり遅れ、センサの応答時間が非常に遅くなる。

したがって、広帯域及びＮＯｘセンサに対する上述した要求に加えて、性能が高められ、製造が容易なＮＯｘセンサが望まれている。

典型的な汎用排気酸素（ＵＥＧＯ）センサについてのポンプ電流と空燃比ラムダ（λ）との間の関係を示すグラフ図である。 従来のＮＯｘセンサのブロック図である。 酸素監視デバイスのブロック図である。 イオン測定デバイスが、被測定気体内の酸素イオン濃度を測定するように構成された気体イオン測定デバイスであるイオン監視デバイスのブロック図である。 電流管理ユニットが、アナログ比較器回路及び反転増幅器回路を用いて実現されている酸素監視デバイスを図式的に示す図である。 気体の酸素濃度を測定する方法のフローチャートである。 測定セル内の酸素イオンフローを変更する方法のフローチャートである。 酸素測定デバイスを較正する方法のフローチャートである。 被測定パルス幅比（ＰＷＭ_{ＲＡＴＩＯ}）をパルス幅比関数と比較することによって気体の酸素濃度を測定する方法のフローチャートである。 ヒータ制御ユニットを較正する方法のフローチャートである。 酸素測定デバイスを実現するのに適するハンドヘルド型診断デバイスのブロック図である。 単一の電気化学セルがセンサセル及び測定セルの機能を実行する広帯域センサに接続されたセンサ管理デバイスを含むセンサシステムのブロック図である。 例示的なポンプ電流及び対応するセル電圧（Ｖ_ＣＥＬＬ）のグラフ図である。 単一の電気化学セル及び測定開口として使用するための拡散ギャップを含むセンサの断面のブロック図である。 単一の電気化学セル及び測定開口として使用するためのは多孔質膜を含むセンサの断面のブロック図である。 測定チャンバ、一次電気化学セルシステム及び二次電気化学セルシステムを含むイオン濃度センサのブロック図である。 ポンプセル、酸素測定セル及び窒素感知電気化学セルを有するＮＯｘセンサを含む窒素酸化物（ＮＯｘ）センサシステムのブロック図である。 図１５のＮＯｘセンサの実現例である、気体内のイオン濃度を測定するＮＯｘセンサの断面のブロック図である。 図１６のＮＯｘセンサに接続されたセンサ管理デバイスを含むＮＯｘ測定システムの概略的機能図である。 測定チャンバ内の酸素濃度のグラフ図である。 ＮＯｘパルス出力曲線のグラフ図である。 センサ管理デバイスに接続され、酸素センサセル及び酸素測定セルの機能を実行する単一の酸素電気化学セルを含むＮＯｘセンサを備えるセンサシステムのブロック図である。 図２０のＮＯｘセンサの実現例である、気体内のイオン濃度を測定するＮＯｘセンサの断面のブロック図である。 図２１のＮＯｘセンサに接続されたセンサ管理デバイス２００４を含むＮＯｘ測定システムの概略的機能図である。 一次電気化学セルシステム及び二次電気化学セルシステムを有するセンサを管理する方法のフローチャートである。 一次電気化学セルシステム及び二次電気化学セルシステムを含むセンサの電流を管理する方法のフローチャートである。 密閉チャンバセンサを含むセンサシステムのブロック図である。 排気ガスを測定するための密閉エアチャンバを含む電気化学センサの断面のブロック図である。

上述のように、従来のセンサシステムは、幾つかの点で制約がある。これらの制約は、流体のイオン濃度を測定するための、効率的で、低コストで、正確な方法を提供する例示的な実施の形態において克服される。流体のイオン濃度は、測定セルの出力に基づいて、測定セルを流れるポンプ電流を変更し、この結果として得られる、ポンプ電流を表す矩形波のパルス幅比を観測することによって測定される。更に、この測定法は、センサが所望の動作温度に到達していない事実を補償する補正係数の適用を可能にするので、幾つかの状況では、ここに説明した方法によって、センサをウォームアップ期間においてより早く使用できる。また、実施の形態は、測定アーチファクトを取り除くための複雑な回路に頼ることなく、ラムダを測定しながら、ポンプセルの温度を正確に制御できる。酸素イオン濃度を判定することに加えて、実施の形態を用いて、他の気体イオン濃度を判定することもできる。例えば、窒素センサ、例えば、気体の窒素酸化物（ＮＯｘ）を感知するセンサを、電流管理デバイス及びコンピュータデバイスに接続して、気体の窒素酸化物のイオン濃度、例えば、ＮＯ及びＮＯ_２のイオン濃度等を測定することができる。

幾つかの具体例では、ポンプセル及びセンサセルの機能は、単一の電気化学セルを含む測定セルによって実行される。ポンプ電流及びセルの内部抵抗から生じる抵抗電圧（Ｖ_Ｒ）をセルに亘る総電圧から減算することによって、セルのネルンスト電圧が判定される。ネルンスト電圧は、被測定流体のイオン濃度を示す。測定セルを用いて酸素濃度を測定する場合、測定セルを流れるポンプ電流を切り替えるための閾値は、ネルンスト電圧から導出される。測定セルがＮＯｘ測定システムの一次電気化学システムの一部として用いられる場合、測定セルのネルンスト電圧は、窒素感知セルからの出力を評価し、ＮＯｘを判定するための参照値として用いられる。

他のＮＯｘシステム実施の形態では、ポンプセル及び酸素測定セルは、測定チャンバに及び測定チャンバから酸素をポンピングし、窒素感知電気化学セルの出力信号と比較される基準電圧を提供する一次電気化学システムを形成する。センサ管理デバイスは、第１の一次ポンプ定電流及び第２の一次ポンプ定電流で、ポンプセルに一次ポンプ電流を流す。センサ管理デバイスは、測定セルからの第１の出力信号と窒素感知セルの第２の出力信号との間の差分を用いて、第１の二次ポンプ定電流及び第２の二次ポンプ定電流で、窒素感知電気化学セルに二次ポンプ電流を流す。後述するように、窒素感知電気化学セルは、ＮＯｘを窒素と酸素に還元し、窒素感知電気化学セルの近傍で局所的な酸素濃度を生成する。二次ポンプ電流の方向のデューティサイクル又は他の関連する信号は、酸素の局所的濃度を示し、したがって、ＮＯｘの濃度を示す。

密閉されたセンサの実施の形態では、測定セル及び補償セルは、密閉チャンバに隣接して配設される。測定セル及び補償セルは、反対の極性によって電気的に直列接続され、これにより、測定セルによって密閉チャンバにポンピングされたイオンは、同じ又は略々同じ速度で、密閉チャンバからポンピングされる。

ここに説明するように、窒素酸化物（ＮＯｘ）は、窒素及び酸素から構成された化合物を含む。この化合物は、酸素イオン及び窒素イオンに還元することができる。したがって、ＮＯｘは、イオンに還元できる元素から構成された化合物の具体例である。内燃機関の場合、ＮＯｘは、主にＮＯ及びＮＯ_２を含むが、幾つかの状況では、他の化合物が存在することもある。

図２Ａは、イオン監視デバイス２００のブロック図である。イオン監視デバイス２００は、ハードウェア、ソフトウェア及びファームウェアの如何なる組合せを用いて実現してもよい。ここに説明する機能ブロックの様々な機能及び動作は、幾つのデバイス、回路又は要素によって実行してもよい。機能ブロックの何れも、単一のデバイスに統合してもよく、ブロックの機能は、複数のデバイス、回路及び要素に亘って分散させてもよい。

測定セル２０２は、少なくともポンプセル２０４及びイオンセンサセル２０６を含み、ポンプセル２０４を流れるポンプ電流２０８の大きさ及び方向は、測定セル２０２内のイオンのフロー２１０に相関性を有する。測定セル２０２の測定開口２１２は、被測定流体を受け取るように配置され、一方、流体開口２１４は、周囲流体に面している。被測定流体及び周囲流体は、気体であっても液体であってもよい。後述するように、例えば、被測定流体は、被測定気体であり、周囲流体は、周囲空気である。イオンセンサセル２０６は、測定セル２０２内のイオンの数に基づいて、出力信号を提供する。電流管理ユニット２１６は、この出力信号に応じて、２つの定電流レベル間でポンプ電流を変更する。第１のポンプ電流は、出力信号が第１の閾値に到達するまで、電流管理ユニット２１６によって維持される。第１の閾値に到達すると、電流管理ユニット２１６は、出力信号が第２の閾値レベルに到達するまで、ポンプ電流２０８を反対の方向に流す。演算デバイス２１８は、電流変動を監視し、被測定流体のイオン濃度を判定する。後述するように、イオン監視デバイス２００の適切な応用例は、内燃機関からの排気ガスを監視し、混合気（air-fuel mixture）を調整するために酸素濃度を測定する気体イオン監視デバイスを含む。イオン監視デバイス、方法及びシステムは、幾つかの種類のアプリケーション及びシステムの一部として実現してもよく、流体媒体内の様々な種類の任意のイオンを測定するために使用してもよい。幾つかの具体例には、ＮＯイオンレベル又はＮＯ_２イオンレベル等の気体の窒素酸化物のイオン濃度の測定、二酸化炭素レベルの測定、水の酸素や二酸化炭素濃度等の液体内の気体イオン濃度の測定が含まれる。更に、幾つかの状況では、塩及び元素のイオン濃度、例えば、液体又は気体内の鉛を測定できる。このように、イオンセンサ及び電流ポンプが、測定される特定のイオンに反応すれば、様々な如何なる種類のイオン濃度でも測定できる。更に、図２０、図２１及び図２２に関して後述するように、測定セルは、ＮＯｘ測定システムの一次電気化学システムとして用いることができ、一次電気化学システムは、第１の出力信号を提供し、第１の出力信号は、基準として用いられ、窒素感知電気化学セルの第２の出力信号と比較されて、ＮＯｘ濃度が判定される。

較正処理が実行された後に、電流管理ユニット２１６は、イオン測定セル２０６の出力信号に基づいて、ポンプセル２０４を流れる電流２０８を、正定電流（Ｉｐ）と負定電流（−Ｉｐ）との間で変更する。負電流（−Ｉｐ）がポンプセル２０４を流れると、ポンプ回路によって、周囲流体が流体開口２１４を介して測定セル２０２に流入し、この結果、測定セル２０２内のイオン濃度が上昇する。測定セル２０２内の酸素イオン濃度が高くなると、イオン測定セル２０６は、低電圧信号出力を提供する。出力信号が下限閾値に到達すると、電流管理ユニット２１６は、ポンプセル２０４に正電流（Ｉｐ）を流す。正電流（Ｉｐ）がポンプセル２０４を流れると、測定セル２０２のイオンは、周囲流体に流出する。正のポンプ電流２０８（Ｉｐ）が流され続けている限り、イオンは、流体開口２１４から流出し続ける。この結果、イオン濃度は、低下し続ける。出力信号は、上限閾値に到達するまで上昇し続ける。上限閾値への到達の検出に応じて、電流管理ユニット２１６は、ポンプ電流２０８の方向を変更する。閾値の適切な値の具体例は、イオン測定センサ２０６を線形範囲内又は実質的に線形範囲内に維持する値を含む。またこれら閾値は、幾つかの状況においては、ヒステリシスなしで濃度をサンプリングするために同じ値にしてもよい。

正電流レベル及び負電流レベルの間で矩形波が形成される。ポンプ電流２０８の正のフロー（Ｉｐ）及び負のフロー（−Ｉｐ）の期間は、被測定流体の構成に依存する。したがって、演算デバイス２１８は、結果として得られた矩形波のパルス幅比（ＰＷＭ_{ＲＡＴＩＯ}）を既知のパルス幅比関数と比較し、被測定流体のイオン濃度を判定する。

図２Ｂは、イオン測定デバイスが被測定気体内の酸素イオン濃度を測定するように構成された気体イオン測定デバイスであるイオン監視デバイス２００のブロック図である。酸素監視デバイス２２２は、ハードウェア、ソフトウェア及びファームウェアの如何なる組合せによって実現してもよい。ここに説明する機能ブロックの様々な機能及び動作は、幾つのデバイス、回路又は要素によって実行してもよい。機能ブロックの何れも、単一のデバイスに統合してもよく、ブロックの機能は、複数のデバイス、回路及び要素に亘って分散させてもよい。

酸素監視デバイス２２２では、ポンプセル２０４及びイオン測定セル２０６は、酸素イオンに反応する。イオン測定セル２０６は、酸素測定セル２２４である。したがって、酸素監視デバイス２２２内の測定セル２０２は、少なくともポンプセル２０４及び酸素センサセル２２４を含み、ポンプセル２０４を流れるポンプ電流２０８の大きさ及び方向は、測定セル２０２内の酸素イオン２１０のフローに関連する。測定セル２０２の測定開口２１２は、被測定気体を受け取るように配置され、一方、流体開口２１４は、周囲空気に面する空気開口２２６である。酸素センサセル２２４は、測定セル２０２内の酸素イオンの数に基づいた出力信号を提供する。電流管理ユニット２１６は、この出力信号に応じて、２つの定電流レベル間でポンプ電流を変更する。第１のポンプ電流は、出力信号が第１の閾値に到達するまで、電流管理ユニット２１６によって維持される。第１の閾値に到達すると、電流管理ユニット２１６は、出力信号が第２の閾値レベルに到達するまで、ポンプ電流２０８を反対の方向に流す。演算デバイス２１８は、電流変動を監視し、被測定気体のイオン濃度を判定する。酸素監視デバイス２２２の適切な用途は、内燃機関からの排気ガスを監視し、混合気（air-fuel mixture）を調整するために酸素濃度を測定することである。酸素監視デバイス、方法及びシステムは、幾つかの種類のアプリケーション及びシステムの一部として実現してもよい。例えば、後述するように、酸素監視デバイス２２２は、ハンドヘルド型診断デバイス、自動車内の相手先ブランド製造（ＯＥＭ）デバイス、又は自動車に永続的に取り付けられるアフターマーケットデバイスとして実現してもよい。酸素を測定することに加えて、酸素測定デバイス及び方法は、生体の呼気の酸素濃度を測定して、消費されているカロリー量を判定するために用いることもできる。したがって、図２Ｂに関して説明したデバイス及び方法は、測定システムの多数の用途の一具体例にすぎない。

図２Ｂを参照して説明した実施の形態では、酸素センサセル２２４は、周知の技術に基づいてポンプセル２０４に隣接して配設されたネルンストセル（２２４）である。以下の説明では、ネルンストセル（２２４）について言及するが、本発明は、被測定気体内の酸素レベルに基づいて出力信号を提供できる他のタイプの酸素センサセル２２４によって実現してもよいことは、当業者にとって明らかである。後述する処理に従って較正処理が実行された後に、電流管理ユニット２１６は、ネルンストセル（２２４）の出力信号に基づいて、ポンプセル２０４を流れる電流２０８を、正定電流（Ｉｐ）と負定電流（−Ｉｐ）との間で変更する。負電流（−Ｉｐ）がポンプセル２０４を流れると、ポンプ回路によって、周囲空気が流体開口２２６を介して測定セル２０２に流入し、この結果、測定セル２０２内のイオン濃度が上昇する。測定セル２０２内の酸素イオン濃度が高くなると、ネルンストセル（２２４）は、低電圧信号出力を提供する。出力信号が下限閾値に到達すると、電流管理ユニット２１６は、ポンプセル２０４に正電流（Ｉｐ）を流す。正電流（Ｉｐ）がポンプセル２０４を流れると、測定セル２０２のイオンは、周囲空気に流出する。測定セル２０２内の何らかの未燃焼炭素又は燃料は、何らかの残留する酸素と結合する。この結果、測定セル２０２内の空気及び未燃焼炭素の混合物では、酸素濃度が低下し、燃料濃度が上昇する。出力信号は、測定セル２０２内に未燃焼炭素も余剰酸素も存在しなくなる遷移点まで上昇する。この遷移点では、ラムダは、１．０になり、ネルンストセル（２２４）は、約４５０ｍＶの出力信号を提供する。正のポンプ電流２０８（Ｉｐ）が流され続けている限り、酸素イオンは、流体開口２１４から流出し続ける。この結果、測定セル２０２において、酸素の濃度は低下し続け、燃料の濃度が上昇する。出力信号は、上限閾値に到達するまで上昇し続ける。上限閾値への到達の検出に応じて、電流管理ユニット２１６は、ポンプ電流２０８の方向を変更する。図２Ｂの実施の形態では、上限閾値は、４５５ｍＶであり、そして、下限閾値は、４４５ｍＶである。なお、他の閾値を用いることもでき、幾つかの適切な値には、周囲空気の気体のための出力信号を含む範囲を提供し、電圧に対するラムダの関係が比較的線形の部分にネルンストセル（２２４）を維持する値が含まれる。例えば、値の他の適切な対としては、４４０ｍＶ及び４６０ｍＶが含まれる。幾つかの場合、下側閾値及び上限閾値は、同じ値であってもよい。

上述のように、正電流レベル及び負電流レベルの間で矩形波が形成される。ポンプ電流２０８の正のフロー（Ｉｐ）及び負のフロー（−Ｉｐ）の期間は、被測定気体の構成に依存する。したがって、演算デバイス２１８は、結果として得られた矩形波のパルス幅比（ＰＷＭ_{ＲＡＴＩＯ}）を既知のパルス幅比関数と比較し、被測定気体の酸素濃度を判定する。

図３は、電流管理ユニット２１６が、アナログ比較器回路３０４及び反転増幅器回路３０６を用いて実現されている酸素監視デバイス２２２を図式的に示す図である。電流管理デバイス２１６は、ハードウェア、ソフトウェア及びファームウェアの如何なる組合せによって実現してもよい。図３の具体例では、電流管理デバイス２１６は、抵抗器、演算増幅器、アナログスイッチ、ツェナーダイオード、論理ゲート及び他の回路を含む幾つかのハードウェアコンポーネントを備える。周知の技術に基づいて、この教示を適用することによって、１つ以上の回路又は回路素子について様々な代替例を想到できることは、当業者にとって明らかである。更に、電流管理デバイス２１６の特定の具体例に応じて、動作値は、異なっていてもよい。図３を参照する説明は、酸素センサに関するものであるが、この教示は、他のタイプの広帯域センサにも適用できる。

反転増幅器回路３０６は、少なくとも、演算増幅器（Ｕ_２）３０８、反転入力抵抗器（Ｒ_４）３１０及び非反転入力抵抗器（Ｒ_５）３１２を含む。演算増幅器（Ｕ_２）３０８の非反転入力端子の電圧は、ツェナーダイオード３１４によってＵ_ＲＥＦの電圧に維持される。Ｕ_ＲＥＦは、Ｖｃｃ／２に等しく、この具体例では、約２．５ボルトである。測定セル２０２内のポンプセル２０４は、アナログスイッチ３１６を介して、演算増幅器（Ｕ_２）３０８の出力に接続され、及び演算増幅器（Ｕ_２）の反転入力端子に接続されている。演算増幅器（Ｕ_２）３０８、反転入力抵抗器（Ｒ_４）３１０及びポンプセル２０４インピーダンス（Ｒ_ｐｕｍｐ）は、−Ｒ_ｐｕｍｐ／Ｒ_４の利得を有する反転増幅器３０６を構成する。演算増幅器（Ｕ_２）３０８の出力は、アナログスイッチ３１６に接続されており、アナログスイッチ３１６は、ＡＮＤゲート（Ｕ_３）３１８の出力レベルに応じて、演算増幅器３０８の出力をポンプセル２０４に接続する。ＡＮＤゲート３１８は、ヒータ制御ユニット３０２が「ハイ」イネーブル信号を示した場合、アクティブ「ハイ」出力を提供するので、アナログスイッチ３１６は、ウオーミングアップの間、電流が測定セル２０２を流れることを防ぐ。更に、後述するように、較正処理の間は、負のポンプ電流２０８のサイクルの間、アナログスイッチ３１６が開かれ、この結果、ポンプ電流２０８は、正のポンプ電流（ＩＰ）とゼロとの間で交互に切り替えられる。

演算増幅器（Ｕ_２）３０８の反転入力端子は、反転入力抵抗器（Ｒ_４）３１０を介して、アナログコンパレータ回路３０４の出力端子に接続されている。非反転入力抵抗器（Ｒ_５）３１２、供給抵抗器（Ｒ_３）３２０及びツェナーダイオード３１４は、分圧器を構成し、アナログコンパレータ回路３０４の演算増幅器（Ｕ_１）３２２の反転入力端子に基準電圧（Ｖｃｃ／２＋０．４５Ｖ）を供給する。図３を参照して説明する具体例では、Ｖｃｃが５ボルトであるので、基準電圧は、２．９５ボルトである。演算増幅器３２２の非反転入力端子は、感知抵抗器（Ｒ_１）３２４を介して、ネルンストセル（２２４）の出力端子に接続されている。帰還抵抗器（Ｒ_２）３２６は、Ｕ_ＲＥＦ＋０．４５Ｖに等しい電圧を演算増幅器３２２の非反転入力端子に供給する。したがって、演算増幅器（Ｕ_１）３２２、抵抗器（Ｒ_１）３２４及び帰還抵抗器（Ｒ_２）３２６は、約１０ｍＶのヒステリシス電圧で動作するアナログコンパレータ回路３０４を構成する。

アナログコンパレータ回路３０４、反転増幅器回路３０６及び測定セル２０２は、可変パルス幅変調（ＰＷＭ）比と、測定セル２０２の応答時間に依存する周波数とを有する発振器を構成する。ポンプ電流２０８は、＋Ｖｃｃ／（２＊Ｒ_４）と−Ｖｃｃ／（２＊Ｒ_４）との間で交互に切り替えられる。演算デバイス２１８は、Ｕ_２の出力がＶｃｃ／２より上であった時間（ｔ_１）及びＶｃｃ／２より下であった時間（ｔ_２）を測定し、これから、後述する関数に基づいて、ＰＷＭ_{ＲＡＴＩＯ}及びλを算出する。この具体例では、ラムダ（λ）は、コンパレータの出力が遷移する都度、算出される。ネルンストセル（２２４）は、約０．１Ｖ〜０．７Ｖの出力信号を提供し、これにより得られる（λ）測定周波数は、酸素センサセル２０６の応答周波数の３ｄＢ点より約７オクターブ高い。したがって、ここに説明する具体例では、酸素センサセル２２４の応答周波数は、ナイキスト周波数よりかなり高い。

図３の具体例のでは、ヒータ制御ユニット３０２は、センサ固有の手法及び立ち上げスケジュール（ramp-up schedule）を用いて、測定セル２０２の温度を上昇させる。測定セル２０２が動作温度に到達すると、ヒータ制御ユニット３０２の「準備完了（Ready）」出力がアクティブになり、ＡＮＤゲート（Ｕ_３）にハイのイネーブル信号が供給され、これによって、アナログスイッチ３０４が閉じられる。また、イネーブル信号は、演算デバイス２１８の入力端子にも接続されており、測定セル２０２の動作の準備が完了したことを演算デバイス２１８に示す。そして、ヒータ制御ユニット３０２は、ヒータ素子に印加される所定の一定の電圧を維持し、又は温度調整のための他の（センサ固有の）方法を用いる。図３に示す具体例では、ヒータ素子３３０のインピーダンスが最小値のとき、ポンプセルインピーダンスを測定する。ポンプセルインピーダンスは、ポンプセルインピーダンスを継続的に監視し、ヒータ素子３３０によって温度を調整することによって、測定値において維持される。

図６に関して後述するように、演算デバイス２１８は、理論空燃比におけるＰＷＭ比（ＰＷＭ_ＳＴ）及び空気のためのパルス幅比（ＰＷＭ_ＡＩＲ）に対応する値を不揮発性メモリに保存する。図４〜図８を参照して後述する具体例では、較正値及び測定されたＰＷＭ_{ＲＡＴＩＯ}に基づいて、＋／−５％の精度の誤差を有する公称ラムダ値を算出する。ＰＷＭ_ＳＴは、環境条件より、センサの特性及び使用年月に強く依存するので、較正プロセスは、殆どの状況では、頻繁に実行する必要はない。

これらの教示から、様々なコンポーネント、デバイス及び回路要素を測定装置で用いることができることは、当業者にとって明らかである。演算増幅器３０８、３２２として使用できる適切なデバイスの具体例としては、テキサスインスツルメンツ社（Texas Instruments）から市販されているＴＬＶ２４６３演算増幅器がある。反転抵抗器（Ｒ_４）３１０及び非反転抵抗器（Ｒ_５）３１２の値は、数百オームの桁である。適切な演算デバイス２１８の具体例としては、８５０ファミリＲＩＳＣ８ビットマイクロコントローラ（850 Family RISC 8-Bit Microcontroller）がある。幾つかの状況では、上述した機能ブロックの幾つか又は全ては、特定用途向け集積回路（application specific integrated circuit：ＡＳＩＣ）として実現してもよい。例えば、ヒータ制御及び電流管理ユニット２１６と演算デバイス２１８とは、極めて僅かな外部部品と共に、混在信号ＡＳＩＣ（mixed signal ASIC）に容易に統合できる。

図４は、気体の酸素濃度を測定する方法のフローチャートである。この方法は、ハードウェア、ソフトウェア又はファームウェアの如何なる組合せによって実行してもよい。この具体例では、方法は、酸素測定デバイス２２２において実行される。図４を参照する説明は、酸素センサに関するものであるが、この教示は、他のタイプの広帯域センサにも適用できる。

ステップ４０２では、較正処理を実行する。較正処理は、酸素測定デバイスを初期化するための較正値を取得し、特定の測定セル２０２の特性に関連する値又は環境条件に関連する値を含んでいてもよい。図６の具体例に関して後述するように、値は、ポンプセル２０４のインピーダンスを維持し、ラムダを算出するためのパルス幅比関数を確立し、理論空燃比（ＰＷＭ_ＳＴ）のためのＰＷＭ比がゼロでないときにラムダ値を調整するために取得される。他の較正値には、酸素センサ特性を反映するポンプ電流２０８の矩形波の周波数に関連するパラメータを含むことができる。

ステップ４０４では、酸素センサセル２２４の出力信号に基づいて、第１のポンプ電流と第２のポンプ電流との間で、酸素イオンフローを変更する。この具体例では、イオンフローは、正の定電流（ＩＰ＋）と負の定電流（ＩＰ−）との間でポンプ電流２０８を交互に切り替えることによって変更される。アナログスイッチ３１６は、測定処理の間は、閉じられたままである。

ステップ４０６では、演算デバイス２１８によって、ポンプ電流２０８によって形成された矩形波のパルス幅比（ＰＷＭ_{ＲＡＴＩＯ}）を判定する。この具体例では、ポンプ電流２０８を変更することによって形成された矩形波のパルス幅（ｔ_１及びｔ_２）は、演算デバイス２１８内の水晶クロックを用いて測定される。個々の単一のパルスを測定及び保存してもよいが、ここでは、電流を変化させることによって生じたパルスの持続期間を所定の期間に亘って平均化する。

ステップ４０８では、パルス幅比（ＰＷＭ_{ＲＡＴＩＯ}）をパルス幅比関数と比較し、被測定気体の酸素濃度を判定する。この具体例では、演算デバイス２１８は、較正された値を利用する式に測定値を適用する。

図５は、測定セル２０２内の酸素イオンフローを変更する方法のフローチャートである。したがって、図５のフローチャートは、図４のステップ４０４を実行する例示的な方法を示している。図５を参照する説明は、酸素センサに関するものであるが、この教示は、他のタイプの広帯域センサにも適用できる。

ステップ５０２では、ポンプ電流２０８を、ポンプセル２０４を介して一定の大きさで正の方向に流す。図３を参照して説明した酸素監視デバイス２００では、ポンプセル２０４に亘って正電圧が印加されるので、アナログスイッチ３１６は、閉じられたままになる。正電圧は、アナログコンパレータ回路３０４が反転増幅器３０８をトリガし、ポンプセル２０４に亘って負電圧を印加するまで維持される。

ステップ５０４では、酸素センサセル２２４からの出力信号を受信する。例示的な酸素監視デバイス２００では、酸素センサセル２２４の出力は、抵抗器（Ｒ_１）３２４を介して、アナログコンパレータ回路３０４の演算増幅器３２２の非反転入力端子に供給される。

ステップ５０６では、出力信号が上限閾値以上になったかを判定する。上限閾値に到達していない場合、方法は、ステップ５０２に戻り、一定の正のポンプ電流をポンプセル２０４に流す。上限閾値に到達すると、方法は、ステップ５０８に進み、電流を反転し、一定のポンプ電流２０８を負の方向に流す。図３の具体例に関して上述したように、電流管理デバイス２１６は、閾値に到達するまで定電流を供給するアナログコンパレータ回路３０４及び反転増幅器回路３０６を備える。アナログコンパレータ回路３０４は、閾値への到達の検出に応じて、ポンプ電流２０８の反転をトリガする。したがって、正のポンプ電流（ＩＰ＋）は、酸素センサセル２２４の出力が上限閾値に到達するまで維持され、上限閾値に到達すると、アナログコンパレータ回路３０４の出力がハイ出力に切り替えられ、反転増幅器回路３０６の出力が変更される。

ステップ５０８では、ポンプ電流２０８を負の方向に流す。反転増幅器回路３０６の反転された電圧出力に応じて、ポンプ電流２０８は、方向が逆になり、負（−Ｉｐ）になる。

ステップ５１０では、電流管理ユニット２１６は、酸素センサセル２２４から出力信号を受信する。例示的な酸素監視デバイス２２２では、酸素センサセル２２４の出力は、抵抗器（Ｒ_１）３２４を介して、アナログコンパレータ回路３０４の演算増幅器３２２の非反転入力端子に供給される。

ステップ５１２では、出力信号が下限閾値以下になったかを判定する。下限閾値に到達していない場合、方法は、ステップ５０８に戻り、電流管理ユニット２１８は負の方向のポンプ電流をポンプセル２０４に流し続ける。この他の場合、処理はステップ５０２に戻り、電流を正の方向に反転する。したがって、この具体例では、電流管理デバイス２１６は、酸素センサセル２２４の出力に基づいて、０．４４５ボルトと０．４５５ボルトとの間で電流を変更する。ポンプ電流２０８が変更されると、この結果の矩形波の特性が測定及び保存される。

ここに説明する具体例では、演算デバイス２１８が期間（ｔ_１及びｔ_２）を監視し、何れかの期間が動作閾値を超えると、演算デバイス２１８は、イネーブル（ENABLE）信号を上書きし、センサの破損を防止するためにポンプセル２０４を切断する。診断処理は、障害条件を判定するために実行される。

図６は、酸素監視デバイス２２２を較正する方法のフローチャートである。図６を参照して説明する方法は、図４の較正ステップ４０２を実行する方法の具体例を提供する。酸素監視デバイス２２２は、様々な手法で較正でき、使用される特定の較正法は、例えば、特定のセンサ２０２の特性、酸素監視デバイス２２２を用いて収集されるデータ等の様々な因子に依存する。この具体例では、較正処理は、ヒータ制御ユニット３０２を較正すること、及び酸素センサセル２２４が自由空気に露出されているとき、変更されるポンプ電流２０８のパルス幅を判定することを含む。図６を参照する説明は、酸素センサに関するものであるが、この教示は、他のタイプの広帯域センサにも適用できる。

ステップ６０２では、酸素センサセル２２４を自由空気に露出させる。この具体例では、測定セル２０２は、排気ガス又は他の風媒不純物（air borne impurities）への曝露が最小化されるエリアに配置される。酸素測定デバイス２２２が走行する自動車で動作する幾つかの状況では、演算ユニットは、得られるラムダ値がガソリンの希薄燃焼限界を超えており、幾らかの期間変化しない場合、エンジンが惰行モードにあると判定する。自動車が惰行モードにあると判定された場合、演算デバイス２１８は、較正処理を実行する。演算デバイス２１８がＥＣＵ自体である場合、惰行条件は、既知であり、ＥＣＵは、排気システムの所定のパージ時間の後に、自由空気について較正処理を実行する。

ステップ６０４では、ヒータ制御ユニット３０２を較正するべきかを判定する。この具体例では、電源投入シーケンス（powering up sequence）の間にヒータ制御ユニット３０２を較正する。ヒータ較正処理の実行を必要とする他の適切な状況の具体例としては、測定セル２０２の交換又は再接続及び何らかの測定誤差の検出等の状況がある。ヒータ較正が必要である場合、処理はステップ６０６に進む。この他の場合、処理は、ステップ６０８に直接進む。

ステップ６０６では、ヒータ制御ユニット３０２を較正する。この具体例では、ネルンストセル（２２４）の好適な動作温度に対応する好適なヒータインピーダンス及び好適なポンプセルインピーダンスをメモリに保存する。図８に関して説明するように、ネルンストセルインピーダンスは、好適なヒータインピーダンス及び好適なポンプセルインピーダンスが測定及び記録される前に、適切な期間、目標ネルンストセルインピーダンスに維持される。

ステップ６０８では、センサウォームアップ処理を実行する。図３を参照して説明したモニタリング装置では、アナログスイッチ３１６は、センサウォームアップ処理の間、初期的に開かれている。適切な加熱タイムテーブルに基づき、電力がヒータ素子３３０に供給され、この温度を上昇させる。ヒータ制御ユニット３０２は、ヒータ素子３３０に亘る電流及び電圧を監視し、ヒータ素子３３０のインピーダンスを判定する。このヒータインピーダンスは、ヒータ較正処理の間に測定及び保存された好適なヒータインピーダンスと比較される。このヒータインピーダンスが好適なヒータインピーダンスに等しいことをヒータ制御ユニットが検出すると、ヒータ制御ユニット３０２は、酸素センサセル２０６の最低動作温度に到達したと判定する。所望の動作温度に到達したとの判定に応じて、ヒータ制御ユニット３０２は、「準備完了」出力に「ハイ」イネーブル信号を出力する。イネーブル信号が「ハイ」になると、ＡＮＤゲート（Ｕ_３）３１８は、アナログスイッチ３１６を閉じる。

ステップ６１０では、ネルンストセルの好適な動作温度を維持する。好適な動作温度は、酸素センサ較正処理の残りの期間及び酸素監視デバイス２２２の動作の間、維持される。ここに説明する具体例では、ポンプセル２０４インピーダンスＲ_ＰＵＭＰは、動作の間、継続的に監視され、ヒータ制御ユニット３０２は、一定の又は略々一定の好適なポンプセルインピーダンスを維持するように制御される。好適なポンプセルインピーダンスは、ヒータ較正処理の間に保存されたメモリから読み出される。ヒータ制御ユニット３０２を制御する適切な方法の具体例は、パルス幅変調を用いて、ヒータ素子３３０によって消散されるパワーの量を上昇又は低下させることを含む。

酸素測定デバイス２２２が発振モードにあり、電流が変更される場合、ポンプセル２０４の電圧（Ｕ_２の出力）は、Ｖｃｃ、Ｒ_ＰＵＭＰ、抵抗器（Ｒ_４）３１０及びポンプセル２０４の逆ＥＭＦによって判定される。アナログコンパレータ回路３０４の演算増幅器（Ｕ_１）３２２の出力は、０ＶとＶｃｃとの間で切り替えられる。ヒータ制御ユニット３０２は、演算増幅器（Ｕ_１）３２２の出力の各遷移の前後に演算増幅器（Ｕ_２）３０８の出力をサンプリングする。各遷移の前後に測定された電圧の間の差分の絶対値がＵ_ＤＩＦＦである。幾つかの状況では、演算増幅器（Ｕ_２）３０８の出力は、十分高いカットオフ周波数を有するハイパスフィルタ（図示せず）を介して渡される。フィルタ出力は、遷移点の後に直ちにサンプリングされ、この結果の出力電圧の絶対値がＵ_ＤＩＦＦになる。

ヒータ制御ユニット３０２は、以下の関係に基づいてポンプセル２０４インピーダンスＲ_ＰＵＭＰを算出する。

Ｒ_ＰＵＭＰ＝Ｒ_４（Ｕ_ＤＩＦＦ／Ｖｃｃ） （式１）

幾つかの状況では、ポンプセル２０４インピーダンスの監視に代えて、又はこれに加えて、ネルンストセル（２２４）インピーダンス（Ｒ_Ｎ）が監視される。ネルンストセル（２２４）インピーダンスを監視するために、ネルンストセル（２２４）の出力電圧信号は、ハイパスフィルタ及び増幅器（図示せず）を介して渡される。そして、フィルタリングされ、増幅して得られた信号は、コンパレータ遷移点でサンプリングされる。そして、ロー／ハイ及びハイ／ローの遷移におけるサンプル電圧間の差分として、ピークツーピーク電圧Ｕ_ＮＰＰが算出される。

電圧Ｕ_ＮＰＰは、以下の式に基づいて算出される。

Ｕ_ＮＰＰ＝Ｖｃｃ（Ｒ_１＋２Ｒ_Ｎ）／Ｒ_２ （式２）

したがって、Ｕ_ＮＰＰは、ネルンストセル（２２４）インピーダンスＲ_Ｎに線形に追従し、信号経路内で、測定ラムダ信号に影響を及ぼすような如何なるフィルタリングも使用しない、ネルンストセル（２２４）インピーダンスのための便利な尺度となる。抵抗器Ｒ_１及び抵抗器Ｒ_２は、Ｒ_Ｎを流れる電流が、ネルンストセル（２２４）の機能に影響を及ぼさないように十分小さくなり、及びネルンスト動作温度及びインピーダンスにおけるＵ_ＮＰＰが約１０ｍＶとなるように選択される。

ステップ６１２では、酸素センサセル２２４の出力信号に基づいて、酸素イオンフロー２１０を正電流（Ｉｐ）と負電流（−Ｉｐ）との間で切り替える。電流２０８を変更する適切な方法の具体例については、図５を参照して上述した通りである。

ステップ６１４では、空気のためのパルス幅比（ＰＷＭ_ＡＩＲ）を判定する。これらの具体例では、正電流サイクル及び負電流サイクルについて、パルス幅（ｔ_１ＡＩＲ及びｔ_２ＡＩＲ）を判定する。矩形波の遷移時間は、演算デバイス２１８内の水晶クロックによって計時され、パルス幅が測定される。パルス幅の値は、例えば、１秒間等の十分な期間に亘って、測定され、平均され、平均ＰＷＭ_ＡＩＲが算出される。

惰行条件の間、空気のためのパルス幅比が算出されると、演算デバイス２１８は、ポンプ電流２０８のパルス幅を測定する前に、条件に到達したときを判定する。演算デバイス２１８がシステムのＥＣＵである場合、ＥＣＵは、スロットルポジションや機関回転数等、ＥＣＵが直接利用可能なパラメータに基づいて、条件を検出する。

ステップ６１６では、ＰＷＭ_ＡＩＲをメモリに保存する。較正情報を保存し、読み出すために、様々な技術を用いることできる。例えば、パルス幅（ｔ_１ＡＩＲ及びｔ_２ＡＩＲ）を直接メモリに保存し、後にＰＷＭ_ＡＩＲの算出のために使用してもよい。このような処理は、圧力及び温度変動を更に補償するために矩形波の周波数を使用する場合に望ましい。パルス幅タイミングを保存することによって、空気のための平均パルス幅比（ＰＷＭ_ＡＩＲ）に加えて、周波数情報が保存される。

ステップ６１８では、酸素センサセル２０６の出力信号に基づいて、酸素イオンフロー２１０を第１の電流と第２の電流との間で変更する。ここに説明する具体例では、電流２０８は、（ＩＰ）とゼロとの間で変更される。上述した方法と同様の手法では、負電流（−ＩＰ）に代わってゼロ電流を使用する点を除いて、電流２０８を第１の電流から第２の電流に同様に変更する。

ステップ６２０では、第２の電流がゼロのときの空気のためのパルス幅比（ＰＷＭ’_ＡＩＲ）を判定する。ここに説明する具体例では、正電流サイクル及びゼロ電流サイクルについて、パルス幅（ｔ’_１ＡＩＲ及びｔ’_２ＡＩＲ）を判定する。矩形波の遷移時間は、パルス幅を測定するために、演算デバイス２１８内の水晶クロックによって調整される。パルス幅の値は、例えば、１秒間等の十分な期間に亘って、測定され、平均され、平均ＰＷＭ’_ＡＩＲが算出される。ＰＷＭ’_ＡＩＲを測定するために、演算デバイス２１８は、較正信号（CALIBRATE）をハイに設定する。ＮＡＮＤゲート（Ｕ_４）３２８は、ＡＮＤゲート（Ｕ_３）３１８と共に、ポンプ電流２０８のハイフェーズの間だけ、アナログスイッチ３１６をオンに切り替える。ローフェーズの間は、アナログスイッチ３１６は、オフとなり、ポンプ電流は、流れることができない。

ステップ６２２では、ＰＷＭ’_ＡＩＲをメモリに保存する。較正情報を保存し、読み出すために、様々な技術を用いることできる。例えば、パルス幅（ｔ’_１ＡＩＲ及びｔ’_２ＡＩＲ）を直接メモリに保存し、後にＰＷＭ’_ＡＩＲの算出のために使用してもよい。

幾つかの状況では、他の較正処理を実行してもよい。圧力及び温度補償のための較正処理は、例えば、ある較正条件におけるポンプ電流２０８に対応する周波数情報を測定及び保存することによって実行してもよい。

図７は、被測定パルス幅比ＰＷＭ_{ＲＡＴＩＯ}をパルス幅比関数と比較することによって気体の酸素濃度を測定する方法のフローチャートである。図７を参照して説明する方法は、図４のステップ４０８を実行する方法の具体例である。図７を参照する説明は、酸素センサに関するものであるが、この教示は、他のタイプの広帯域センサにも適用できる。

ステップ７０２では、予備的酸素濃度（λ_ＰＲＥ）を算出する。ここに説明する具体例では、予備的酸素濃度（λ_ＰＲＥ）は、以下の式によって判定される。

λ_ＰＲＥ＝Ｐ／（ＰＷＭ_ＡＩＲ−ＰＷＭ_{ＲＡＴＩＯ}） （式３）

Ｐ＝（１＋ＰＷＭ’_ＡＩＲ）（１−ＰＷＭ_ＡＩＲ）／（１−ＰＷＭ’_ＡＩＲ） （式４）

演算デバイス２１８は、メモリから、ＰＷＭ_ＡＩＲ、ＰＷＭ_{ＲＡＴＩＯ}及びＰＷＭ’_ＡＩＲの値を読み出し、上の式を適用して、予備的酸素濃度λ_ＰＲＥを算出する。後述するように、理論空燃比におけるパルス幅比（ＰＷＭ_ＳＴ）がゼロの場合、Ｐは、ＰＷＭ_ＡＩＲに等しい。したがって、特定のセンサのためのＰＷＭ_ＳＴがゼロの場合、λ_ＰＲＥは、ＰＷＭ_ＡＩＲ／（ＰＷＭ_ＡＩＲ−ＰＷＭ_{ＲＡＴＩＯ}）に等しい。

ステップ７０４では、λ_ＰＲＥが１未満であるかを判定する。λ_ＰＲＥが１未満である場合、処理はステップ７０６に進む。この他の場合、処理はステップ７０８に進み、気体の酸素濃度（λ）は、予備的酸素濃度λ_ＰＲＥと等しいと判定される。

ステップ７０６では、気体の酸素濃度（λ）は、較正係数（Ｍ）が乗算された予備的酸素濃度（λ_ＰＲＥ）と、１から較正係数を減算した値との和（λ＝（λ_ＰＲＥ）＊Ｍ＋（１−Ｍ））に等しいと判定する。ここに説明する具体例では、特定のブランド及びモデルの測定セル２０２の較正係数Ｍは、既知の酸素濃度を有する気体に露出された場合の測定セルの２０２性能の統計的解析を介して導出される。幾つかの状況では、複数の測定セルのそれぞれのための較正係数がメモリに保存され、酸素測定デバイス２２２内で接続された特定のモデルに適用される。Ｍの典型的な値の具体例は、０．７１４２８である。

図８は、ヒータ制御ユニット３０２を較正する方法のフローチャートである。図８を参照して説明する方法は、図６のステップ６０６を実行する方法の具体例を提供する。図８を参照する説明は、酸素センサに関するものであるが、この教示は、他のタイプの広帯域センサにも適用できる。

ステップ８０２では、ヒータ素子３３０の温度が上昇していく際のヒータ素子３３０インピーダンスを監視する。図３を参照して説明したモニタリング装置では、アナログスイッチ３１６は、ヒータユニット較正処理の間、初期的に開かれている。適切な加熱タイムテーブルに基づき、電力がヒータ素子３３０に供給され、この温度を上昇させる。ヒータ制御ユニット３０２は、ヒータ素子に亘る電流及び電圧を監視し、ヒータ素子のインピーダンスを判定する。ヒータ制御ユニットは、ヒータ素子インピーダンスをヒータ素子３３０の温度に関連付けて保存されている情報に基づいて、酸素センサセル２２４が最低動作温度に到達したときを判定する。ヒータ制御ユニット３０２は、所望の最低動作温度に到達したとの判定に応じて、「準備完了」出力に「ハイ」イネーブル信号を出力する。イネーブル信号が「ハイ」になると、ＡＮＤゲート（Ｕ_３）３１８は、アナログスイッチ３１６を閉じる。

ステップ８０４では、最低動作温度に到達したかを判定する。最低動作温度に到達している場合、処理はステップ８０６に進む。この他の場合、ステップ８０２において、アナログスイッチ３１６を開いて、ヒータ温度の監視を継続する。

ステップ８０６では、ネルンストセルインピーダンスを目標ネルンストセルインピーダンスに維持する。ヒータ制御ユニット３０２は、温度を変更してネルンストセルインピーダンスを目標値に維持するように制御される。目標ネルンストセルインピーダンスは、測定セル（センサ）２０２のタイプ及びブランドに依存する所定の値であり、センサの製造業者によって提供される。ネルンストセルインピーダンスは、温度及びインピーダンスの変動を整定するために、最短時間の間、一定又は略々一定に保たれる。適切な設定時間の具体例は、１０秒である。

上述したように、ネルンストセル（２２４）インピーダンスは、ハイパスフィルタ及び増幅器（図示せず）を介してネルンストセル（２２４）の出力電圧信号を渡すことによって監視される。フィルタリングされ、増幅して得られた信号は、コンパレータ遷移点でサンプリングされる。そして、式２に基づいて、ロー／ハイ及びハイ／ローの遷移におけるサンプル電圧間の差分として、ピークツーピーク電圧Ｕ_ＮＰＰが算出される。

ステップ８０８では、好適なヒータインピーダンス及び好適なポンプセルインピーダンスを測定及び保存する。ここに説明する具体例では、ポンプセルインピーダンスは、式１に基づいて算出される。上述のように、酸素測定デバイス２２２が発振モードにある場合、ポンプセル２０４の電圧（Ｕ_２の出力）は、Ｖｃｃ、Ｒ_ＰＵＭＰ、抵抗器Ｒ_４、及びポンプセル２０４の逆ＥＭＦによって判定される。コンパレータ３０４の演算増幅器（Ｕ_１）３２２の出力は、０ＶとＶｃｃとの間で切り替えられる。ヒータ制御ユニット３０２は、演算増幅器（Ｕ_１）３２２の出力の各遷移の前後に演算増幅器（Ｕ_２）３０８の出力をサンプリングする。各遷移の前後に測定された電圧の間の差分の絶対値がＵ_ＤＩＦＦである。幾つかの状況では、演算増幅器（Ｕ_２）３２２の出力は、十分高いカットオフ周波数を有するハイパスフィルタ（図示せず）を介して渡される。フィルタ出力は、遷移点の後に直ちにサンプリングされ、この結果の出力電圧の絶対値がＵ_ＤＩＦＦになる。

酸素測定デバイスの特定の具体例に応じて、様々な較正係数及び式を用いることができるが、ここに説明する具体例では、上の式は、以下の解析及び仮定に基づいて、導出されている。当業者は、この教示に基づいて、変形例を想到することができる。

以下では、次のような定義に基づき、式５〜２６を参照して、様々なパラメータの間の関係について説明する。

Ｑ_ｆは、ネルンストセル（２０６）を遷移点で維持するために、測定セル２０２を出入りすることが要求される酸素フローである。

Ｑ_１は、固定された定電流（Ｉｐ）において、ネルンストセル（２２４）から出る酸素フロー値である。

Ｑ_２は、固定された定電流（−Ｉｐ）において、ネルンストセル（２２４）に入る酸素フロー値である。

ｔ_１は、ネルンストセル（２２４）を０．４４５Ｖから０．４５５Ｖに切り替えるために必要な酸素ポンプ時間（Ｑ_１フロー）である。

ｔ_２は、ネルンストセル（２２４）を０．４５５Ｖから０．４４５Ｖに切り替えるために必要な酸素ポンプ時間（Ｑ_２フロー）である。

したがって、上述の仮定から、ネルンストセル（２０６）電圧は、１０ｍＶｐｐの交流（ＡＣ）成分を有する０．４５Ｖである。これにより得られるＱ_ｆは、以下の通りである。

Ｑ_ｆ＝（Ｑ_１＊ｔ_１−Ｑ_２＊ｔ_２）／（ｔ_１＋ｔ_２） （式５）

タイミング関係は、以下のように表される。

ＰＷＭ_{ＲＡＴＩＯ}＝（ｔ_１−ｔ_２）／（ｔ_１＋ｔ_２） （式６）

１と２を用いて、式１は、以下のように書き換えることができる。

Ｑ_ｆ＝［（Ｑ_１＋Ｑ_２）＊ＰＷＭ_{ＲＡＴＩＯ}＋Ｑ_１−Ｑ_２）］／２ （式７）

ポンプフロー比率（Ｑ_ＲＡＴ）は、以下のように表すことができる。

Ｑ_ＲＡＴ＝（Ｑ_１−Ｑ_２）／（Ｑ_１＋Ｑ_２） （式８）

空気圧の変化においては、Ｑ_１及びＱ_２は、略々比例して変化し、したがって、Ｑ_ＲＡＴは、略々一定に留まる。温度変化にも同様のことが当てはまる。したがって、Ｑ_ＲＡＴは、温度から独立している。

幾つかの状況では、センサが経年変化したとき、Ｑ_ＲＡＴが変化することがあり、したがってセンサは、最適性能を維持するために定期的に較正する必要がある。

Ｑ_１及びＱ_２が既知であり、一定である場合、酸素流量及びラムダ（λ）は、測定されるタイミング関係ＰＷＭ_{ＲＡＴＩＯ}から判定される。ポンプ電流２０８、温度、排気圧、気圧及び空気の酸素濃度が一定であれば、Ｑ_１及びＱ_２は、一定である。ここに説明する具体例では、ポンプ電流２０８及び温度は、慎重な回路設計によって一定に保たれる。ここに説明する解析では、大気酸素濃度は、２０．９％で一定であると仮定する。気圧の影響は、較正によって補償される。排気圧の影響によって、Ｑ_１及びＱ_２の両方が等しい係数で変化する傾向があり、また、圧力に応じて、酸素センサセル２０６の表面に存在する酸素イオンが多くなったり少なくなったりするため、酸素センサセル２０６の応答時間も変化する。

上述したように、酸素監視デバイス２２２は、一定の正の値及び負の値の間でポンプ電流２０８を切り替えることによって酸素フローを測定する。この一定のポンプ電流値の絶対値は、自由空気のために必要なポンプ電流２０８の絶対値より大きくなるように選択される。

上の式は、線形であり、２つの既知の点によって判定できる。時間値のｔ_１及びｔ_２は、水晶クロックによって制御されたマイクロプロセッサ又はタイマ回路によって測定され、これにより、一旦、２つの較正点が既知になれば、ラムダ（λ）の精密な判定を行うことができる。

理論空燃比に従う混合気（stoichiometric exhaust mixture）は、調整用の如何なる酸素フローも必要とせず、したがって、定常状態のポンプ電流２０８は、ゼロである。この条件を用いて、較正点の１つである、理論空燃比におけるパルス幅比（stoichiometric pulse width ratio）ＰＷＭ_ＳＴを判定する。

上述したように、第２の較正点は、被測定気体が空気のときのパルス幅比を測定することによって取得される。測定セル２０２は、自由空気に露出される。測定セル２０２が自動車に取り付けられていない場合、測定セルは、自由空気に露出されるエリアに配置される。測定セル２０２が自動車に取り付けられる場合、自動車が適切な時間に亘って動作しておらず、全ての排気ガスが消散しているとき、又は自動車が惰行モードにあるときに自由空気のための較正を実行する。惰行モードの間、エンジンのスロットルは、完全に閉じられ、機関回転数は、所定の値を超えている。この場合、典型的なＥＣＵは、エンジンが動力出力を必要としないため、及び燃料の節約のため、燃料を注入しない。そして、測定チャンバ内の空気から全ての酸素をポンピングするために十分高い総フロー値（total flow value）Ｑ_Ｆを用いてポンプセル２０４を駆動する。

式５〜式８から以下のことが言える。

ＰＷＭ_ＳＴ＝−Ｑ_ＲＡＴ （式９）

排気酸素濃度から算出されるラムダ値λは、以下のように表すことができる。

λ＝空気酸素含有量／（空気酸素含有量−余剰酸素） （式１０）

なお、式６の値である余剰酸素は、全ての酸素が消費されても、燃焼されていない又は部分的に燃焼された燃料がまだ存在している場合には、負の値を有することができる。

体積の代わりに酸素流量を調べるため、以下の除算によってｔを消す。

λ＝Ｑ_{ｆ（ＡＩＲ）}／（Ｑ_{ｆ（ＡＩＲ）}−Ｑ_ｆ） （式１１）

式７、式８、式９及び式１１から、以下の式が得られる。

λ＝（ＰＷＭ_ＡＩＲ−ＰＷＭ_ＳＴ）／（ＰＷＭ_ＡＩＲ−ＰＷＭ_{ＲＡＴＩＯ}） （式１２）

上述したように、第２の自由空気ＰＷＭ比（ＰＷＭ’_ＡＩＲ）は、自由空気較正の間、ポンプセル２０４を、Ｑ_１と電流なし（Ｑ_２＝０）との間で切り替えることによって測定される。

ＰＷＭ_ＳＴは、較正の間に、以下の式に基づいて、ＰＷＭ_ＡＩＲとＰＷＭ’_ＡＩＲから算出される。

式７から、

２＊Ｑ_ｆ＝（Ｑ_１＋Ｑ_２）＊ＰＷＭ_ＡＩＲ＋Ｑ_１−Ｑ_２ （式１３）

２＊Ｑ_ｆ＝Ｑ_１＊ＰＷＭ’_ＡＩＲ＋Ｑ_１ （式１４）

ここで、ＰＷＭ’_ＡＩＲは、Ｑ_１とＱ_２に代えて、Ｑ_１と電流なしとの間で切替を行うことによって測定される。

Ｐ＝ＰＷＭ_ＡＩＲ−ＰＷＭ_ＳＴ （式１５）

式１３及び式１４から、

Ｐ＝（１＋ＰＷＭ’_ＡＩＲ）＊（１−ＰＷＭ_ＡＩＲ）／（１−ＰＷＭ’_ＡＩＲ） （式１６）

ＰＷＭ_ＳＴ＝ＰＷＭ_ＡＩＲ−Ｐ （式１７）

式１２を適用すると、以下のようになる。

λ＝Ｐ／（ＰＷＭ_ＡＩＲ−ＰＷＭ_{ＲＡＴＩＯ}） （式１８）

上述のように、ＰＷＭ_ＡＩＲは、適切な動作温度で自由空気にセンサを露出することによって測定され、幾つかの状況では、補償係数を判定するために、周波数情報が使用される。以下の解析は、周波数と他のパラメータとの間の関係を示す。

式８に戻ると、Ｑ_１＝Ｑ_２の場合、Ｑ_ＲＡＴ（したがって、ＰＷＭ_ＳＴ）は、ゼロになる。実際のサンプリング周波数は、総合的なフロー比（full flow ratio）Ｑ_Ｆに依存する。

したがって、式８は、以下のように書き換えられる。

Ｑ_ｆ＝Ｑ_Ｆ＊ＰＷＭ_{ＲＡＴＩＯ} （式１９）

式１２は、以下のようになる。

λ＝ＰＷＭ_ＡＩＲ／（ＰＷＭ_ＡＩＲ−ＰＷＭ_{ＲＡＴＩＯ}） （式２０）

Ｑ_Ｆは、ポンプ電流２０８であるＩｐの関数であり、したがって、Ｑ_Ｆ＝ｆ（Ｉｐ）である。排気圧の変化のために一定のＩｐのためのＱ_Ｆが変化した場合、測定されたＰＷＭ_{ＲＡＴＩＯ}は、同じ調整フローＱ_ｆのためのＰＷＭ’_{ＲＡＴＩＯ}になる。

排気ガス圧力又は温度が変化すると、Ｑ_１及びＱ_２は、第１の近似において、係数Ｋによって変化する。

そして、式８は、以下のようになる。

Ｑ_ｆ＝Ｋ＊［（Ｑ_１＋Ｑ_２）＊ＰＷＭ’_ＡＩＲ＋Ｑ_１−Ｑ_２）］／２ （式２１）

ここで、

Ｑ_１＊ｔ_１＝Ｋ＊Ｑ_１＊ｔ_１’ （式２２）

Ｑ_２＊ｔ_２＝Ｋ＊Ｑ_２＊ｔ_２’ （式２３）

測定周波数ｆは、以下のように判定される。

ｆ＝１／（ｔ_１＋ｔ_２） （式２４）

ｆ’＝１／（ｔ_１’＋ｔ_２’） （式２５）

式２０、式２１、式２２及び式２３から、以下の式が導き出される。

Ｋ＝ｆ’／ｆ （式２６）

他の全ての環境条件が一定であるときｆは定数であるので、この式を用いて、温度及び／又は圧力の変化について修正を行うことができる。式８は、以下のようになる。

λ＝（ＰＷＭ_ＡＩＲ−ＰＷＭ_ＳＴ）／（ＰＷＭ_ＡＩＲ−（１−Ｋ）＊ＰＷＭ_ＳＴ−Ｋ＊ＰＷＭ’_{ＲＡＴＩＯ}） （式２７）

そして、式１８は、以下のようになる。

λ＝ＰＷＭ_ＡＩＲ／（ＰＷＭ_ＡＩＲ−Ｋ＊ＰＷＭ’_{ＲＡＴＩＯ}） （式２８）

したがって、これらの式によって、圧力補償係数Ｋを適用して、圧力又は温度の変化を補償することができる。特別な状況では、Ｑ_１及びＱ_２は、同じ係数Ｋでは等しく変化しない。したがって、幾つかの状況では、正規化された周波数偏差ｆ’／ｆを経験的に導出されたルックアップテーブルへのインデクスとして用いて、正確な偏差係数Ｋ’を抽出する。

Ｋ’＝ｆｕｎｃ（ｆ’／ｆ） （式２９）

これにより、一旦、所与のセンサタイプについて、正規化された周波数／ラムダテーブルを経験的に作成した後は、排気圧を測定する独立したセンサの使用なしで、算出されたラムダ値を、排気圧の変化のために修正できる。

従来の市販のパッケージ化された測定セル２０２は、ポンプセル２０４及びネルンストセル（２２４）の仮想接地に対して温度に依存する寄生抵抗を有することが多い。多くの市販の測定セル２０２に上述した圧力補償法を適用するためには、ソフトウェア又は回路によって、この寄生抵抗を解決する必要がある。

上述した式及び解析は、上述したものとは異なる手法で本発明の他の具体例に適用してもよく、ここに説明した教示は、様々な形式、具体例及び構成に適用できる。上述のように、ハードウェア及びソフトウェアは、様々な要素を含むように変更してもよい。例えば、演算増幅器（Ｕ_２）３０８がトライステート出力を提供する場合、アナログスイッチ３１６をなくすことができる。また、アナログスイッチ３１６は、酸素測定デバイス２２２内で演算増幅器（Ｕ_２）３０８の出力に接続することに代えて、反転抵抗器（Ｒ_４）３１０の前に接続してもよい。また演算増幅器（Ｕ_２）３０８も、トライステート出力を提供してもよい。更に、ヒータ制御装置３０２は、演算デバイス２１８の一部として統合してもよい。

更に、幾つかの状況では、ツェナーダイオード３１４は、デジタル／アナログ（Ｄ／Ａ）変換器又は電位差計に置き換えてもよい。これによって、基準電圧Ｕ_ＲＥＦは、理論空燃比におけるパルス幅比ＰＷＭ_ＳＴが正確にゼロになるように設定できる。このような状況では、λを算出するために用いられる式は、以下のようになる。

λ＝ＰＷＭ_ＡＩＲ／（ＰＷＭ_ＡＩＲ−Ｋ＊ＰＷＭ’） （式３０）

幾つかの状況では、上述した解析に基づいて、周波数情報を解析し、他の有用な情報又はデータを提供する。例えば、測定セル２０２の応答時間は、経年変化するので、置換の必要性を判定するための尺度として、発振周波数を直接使用してもよい。下限閾値周波数に達すると、演算デバイス２１８によって、センサを置換するべきであるとの警告を提供してもよい。周波数解析は、好ましくは、自由空気の値を再較正する際に実行するとよい。これは、環境条件が比較可能である（式２７のｆ’及びｆが等しい）ため及び周波数変化がセンサの経年変化に起因するためである。

図９は、酸素測定デバイス２２２を具体化する適切なハンドヘルド型診断デバイスのブロック図である。上述のように、酸素測定デバイス２２２は、複数の構成及びデバイスの何れとして実現してもよい。例えば、酸素測定デバイス２２２は、ＯＥＭデバイスとして自動車燃料システムに組み込んでもよい。更に、酸素測定デバイス２２２は、車載用のアフターマーケット燃料供給システム又は診断システムの一部であってもよい。この教示に基づき、他のデバイス及び用途も当業者にとって明らかである。

ハンドヘルド型診断デバイス９００は、ハウジング９０２、ディスプレイ９０４、コネクタ９０６〜９１２、並びに演算デバイス２１８及び電流管理デバイス２１６へのインタフェースを提供するボタン（又は他のタイプのスイッチ）９１２、９１４を備える。ディスプレイにより、ユーザは、ハンドヘルド型診断デバイス９００の状態に関する情報を見ることができる。ハンドヘルド型機器９００が備えるコネクタ９０６〜９１２は、外部のコンピュータに接続するためのシリアルポート９１２と、測定されたλに対応するアナログ信号を供給するためのアナログ出力コネクタ９０８と、補助センサインタフェース９１９と、センサコネクタ９０６とを含む。また、ある状況では、他のコネクタ、例えば、ＤＣ電力を受け取る電源コネクタを設けてもよい。演算デバイス２１８に接続されたボタン９０８は、較正処理を開始するためのユーザインタフェースを提供する。記録ボタン９１４は、数秒間のデータをメモリに保存できる記録処理を開始するためのユーザインタフェースを提供する。使用できる他のボタン又はスイッチの具体例には、オン／オフスイッチ（図示せず）が含まれる。ボタン及びコネクタは、演算デバイス２１８及び他の回路に接続され、ユーザ、測定装置２２２、測定セル２０２及び他の外部の設備との間のインタフェースを提供する。

したがって、気体の酸素濃度を測定するためのシステム、装置及び方法は、従来のシステムに対して複数の利点を有する、費用効率が高く、効率的で正確な、気体を監視するための手法を提供する。ここに説明する技術によって、酸素濃度（λ）測定のためにアナログデジタル（Ａ／Ｄ）変換が不要であるため、設計を単純化できる。更に、測定セルセンサにおいて、センサの公差を補償するための較正抵抗器は不要であり、この結果、製造が単純化され、製造コストが低減される。測定セル２０２自体には、広い公差を許容でき、この結果、製造歩留まりを高くできる。精密抵抗器も他の精密部品も不要であるため、回路コストが最小化される。酸素監視デバイス２２２は、圧力及び温度の変動を自己補償（self-compensate）する。測定処理は、アナログの電流／電圧領域の代わりに、時間領域に変換される。典型的な抵抗器の公差である１０^−２に比べて、水晶タイムベースの公差は１０^−６以下であるため、典型的なデジタル設計と同様に標準の水晶タイムベースを用いることによって、温度及び経年変化に関連するドリフトを排除できる。測定結果は、１／ラムダに対して線形であり、センサのＩｐ／ラムダ曲線から独立している。較正は、便利であり、標準気体として空気だけを使用する。

図９に関する記述では、酸素測定デバイス２２２を具体化するのに適切なハンドヘルド型診断デバイスについて説明したが、この教示は、他のタイプの広帯域センサを使用するハンドヘルド型デバイスを実現するために適用してもよい。例えば、デバイス９００は、窒素に反応し、または気体の窒素酸化物に反応する測定セルに接続するように構成してもよい。

図１０は、単一の電気化学セル１００６がセンサセル及びポンプセルの機能を実行する具体例に基づく、広帯域センサ１００２に接続されたセンサ管理デバイス１００４を含むセンサシステム１０００のブロック図である。イオン濃度測定システム１０００は、（単一の電気化学セルによって形成された）測定セルを有するセンサと、電気化学セルにおけるセル電圧に応じて、電気化学セルを流れるポンプ電流を、第１の定電流と第２の定電流との間で変更するセンサ管理デバイスとを備える。被測定流体は、測定開口１０１０を介して、センサの測定チャンバ１００８に流入する。電気化学セル１００６は、電気化学セル１００６を流れるポンプ電流に基づいて、測定チャンバ１００８と空気等の周囲流体に露出される周囲開口１０１２との間で、イオンを移動させる。センサ測定デバイス１００４は、電気化学セル１００６におけるセル電圧（Ｖ_ＣＥＬＬ）１０１８に基づいて、被測定流体のイオン濃度を判定する。電気化学セル１００６の内部抵抗を判定し、セル電圧１０１８から減算することによって、被測定流体のイオン濃度を示す電気化学セル１００６のネルンスト電圧が得られる。

センサシステム１０００は、ハードウェア、ソフトウェア及びファームウェアの如何なる組合せを用いて実現してもよい。ここに説明する機能ブロックの様々な機能及び動作は、幾つのデバイス、回路又は要素によって実行してもよい。機能ブロックの何れも、単一のデバイスに統合してもよく、ブロックの機能は、複数のデバイス、回路及び要素に亘って分散させてもよい。

センサ１００２は、測定開口１０１０及び周囲開口１０１２を有する測定チャンバ１００８内に接続された電気化学セル１００６を含む。電気化学セル１００６を流れるポンプ電流１０１４の大きさ及び方向は、電気化学セル１００６内のイオンのフロー１０１６を示す。測定チャンバ１００８の測定開口１０１０は、被測定流体を受け取るように配置され、周囲開口１０１２は、周囲流体に面している。被測定流体及び周囲流体は、気体であっても液体であってもよい。ここに示す具体例では、被測定流体は、被測定気体であり、周囲流体は、周囲空気であり、被測定気体は、酸素である。電気化学セル１００６は、電気化学セル１００６を流れるポンプ電流１０１４に基づいて、測定チャンバ１００８内でイオン濃度を変化させ、イオン濃度に関連する電圧（Ｖ_ＣＥＬＬ）１０１８を示すデバイス、コンポーネント又は要素（element）の何れであってもよい。電気化学セル１００６は、従来のセンサにおけるポンプセルと同様である。この具体例では、電気化学セル１００６は、酸素イオンに反応するネルンストセルである。但し、幾つかの状況では、電気化学セル１００６は、他の気体、例えば、気体の窒素酸化物（ＮＯｘ）等に反応してもよい。

電気化学セル１００６を介して定電流が流されると、セルにおいてネルンスト電圧と、電気化学セル１００６の内部抵抗によって生じる電圧降下（抵抗電圧）との和である電圧が生成される。内部抵抗は、セルのインピーダンスの実部であり、オームインピーダンス（Ohmish impedance）と呼ばれることもある。抵抗電圧（Ｖ_Ｒ）は、内部抵抗を流れるポンプ電流から生じる。ネルンスト電圧は、測定チャンバ内の酸素濃度を示し、総電気化学セル電圧（Ｖ_ＣＥＬＬ）と抵抗電圧（Ｖ_Ｒ）との間の差分に等しい。したがって、ネルンスト電圧は、電気化学電圧（Ｖ_ＣＥＬＬ）から抵抗電圧（Ｖ_Ｒ）を減算することによって算出できる。この具体例では、センサ管理デバイス１００４は、正負の定電流の間でポンプ電流１０１４を継続的に切り替え、セル電圧を測定し、抵抗電圧（Ｖ_Ｒ）を減算することによって、ネルンスト電圧に基づいて、酸素濃度を判定する。センサ管理デバイス１００４は、電流管理ユニット２１６及び演算デバイス２１８を含み、電流管理ユニット２１６は、電流を制御し、セル電圧を測定する。したがって、図１０に関して説明した具体例の動作は、ポンプセル及び測定セルが単一の電気化学セルに置き換えられている点を除けば、図２Ａ、図２Ｂ及び図３を参照して説明した具体例の動作と同様である。したがって、図１０の具体例のポンプセルは、測定セルとしても機能する。

電気化学セル１００６は、測定チャンバ１００８内のイオンの数に基づいて、出力信号を提供する。センサ管理デバイス１００４は、この出力信号に応じて、２つの定電流レベル間でポンプ電流を変更する。第１のポンプ電流は、出力信号が第１の閾値に到達するまで、電流管理ユニットによって維持される。第１の閾値に到達すると、電流管理ユニット１００４は、出力信号が第２の閾値レベルに到達するまで、ポンプ電流１０１４を反対の方向に流す。演算デバイスは、電流変動を監視し、被測定流体（気体）のイオン濃度を判定する。これにより得られる振動のパルス幅比（デューティサイクル）は、ポンプセルを流れる酸素フローの指標として用いられる。電流信号のパルス幅比及び他の関連する波形及び信号の評価は、酸素濃度を測定するために用いることができる。上述のように、センサシステム１０００の適切な応用例は、内燃機関からの排気ガスを監視し、混合気（air-fuel mixture）を調整するために酸素濃度を測定するための気体イオン監視デバイスを含む。イオン監視デバイス、方法及びシステムは、幾つかの種類のアプリケーション及びシステムの一部として実現してもよく、流体媒体内の様々な種類の任意のイオンを測定するために使用してもよい。幾つかの具体例には、ＮＯイオンレベル又はＮＯ_２イオンレベル等の気体の窒素酸化物のイオン濃度の測定、二酸化炭素レベルの測定、水の酸素や二酸化炭素濃度等の液体内の気体イオン濃度の測定が含まれる。更に、幾つかの状況では、塩及び元素のイオン濃度、例えば、液体又は気体内の鉛を測定できる。このように、イオンセンサ及び電流ポンプが、測定される特定のイオンに反応すれば、様々な如何なる種類のイオン濃度でも測定できる。更に、図２０、図２１及び図２２に関して後述するように、測定セルは、ＮＯｘ測定システムの一次電気化学システムとして用いることができ、一次電気化学システムは、第１の出力信号を提供し、第１の出力信号は、参照値として用いられ、窒素感知電気化学セルの第２の出力信号と比較されて、ＮＯｘ濃度が判定される。

適切なセンサ管理デバイス１００４の具体例は、インタフェース１０２２を介して、測定セル（電気化学セル１００６）に接続されるように構成され、電流管理ユニット１０１８及び演算デバイス１０２０を構成する回路を含む装置を含む。インタフェース１０２２は、電気的コネクタ、直接ケーブル接続又はセンサ１００２とセンサ管理デバイス１００４との間で信号を伝送するための他の電気コンタクト構成を含むことができる。電流管理ユニット１０１８は、測定チャンバ内の被測定流体のイオン濃度に基づく出力信号１０１８を受け取るように構成される。電流管理ユニット１０１８は、更に、出力信号１０１８に応じて、電気化学セル１００６のポンプセルを流れるポンプ電流１０１４を、第１の定電流と第２の定電流との間で変更することによって、電気化学セル１００６と周囲流体との間のイオンフローを調整するように構成される。演算デバイス１０２０は、ポンプ電流の矩形波のパルス幅比に基づいて、被測定流体のイオン濃度を判定するように構成される。したがって、特定の具体例に応じて、演算デバイス１０２０は、ポンプ電流１０１４に関連し、又はポンプ電流１０１４から導出される様々な信号又は波形の何れを評価してもよい。

したがって、測定された電圧は、ポンプ電流の反転をトリガするために用いられる。例えば、正のポンプ電流（Ｉ_Ｐ）の間、ネルンスト電圧（｜Ｖ_ＣＥＬＬ｜−｜Ｒ＊Ｉ_Ｐ｜）≧０．５ボルトになると、ポンプ電流（Ｉ_Ｐ）が反転され、Ｒ（内部抵抗）が後述するように算出され、処理は、ネルンスト電圧が０．４Ｖ以下になるまで、一定の負のポンプ電流によって継続される。そして、ポンプ電流（Ｉ_Ｐ）は、極性が反対に戻され、これが繰り返される。この具体例でヒステリシス電圧は、０．１Ｖ（０．５Ｖ−０．４Ｖ）である。これとは異なるヒステリシス電圧を用いてもよい。幾つかの場合、両方の閾値に同じ値を用いてもよい。

この具体例では、電気化学セルの内部抵抗（Ｒ）は、セルを流れる正電流から負電流への、及び／又は負電流から正電流への遷移点におけるセルの電圧変化を測定することによって判定される。ポンプ電流は、一定の正電流及び負電流の間で切り替えられるので、抵抗は、オームの法則に基づいて算出される。

内部抵抗は、電気化学セルの温度に依存している。ポンプ電流の極性反転の時点では、セルは、反応する時間がなく、新たな方向には、酸素をポンピングしていない。したがって、ネルンスト電圧を決定する酸素濃度差は、大きくは変化していない。したがって、セルの電圧変化は、少なくとも大部分は、電流の変化によって引き起こされる。電流の差及び電圧の差に基づき、内部抵抗は、Ｒ_ＣＥＬＬ＝ΔＶ_ＣＥＬＬ／ΔＩ_Ｐの関係に基づいて判定され、ここで、ΔＶ_ＣＥＬＬは、セルの電圧の差であり、ΔＩ_Ｐは、ポンプ電流の差である。内部抵抗Ｒ_ＣＥＬＬは、オームの法則、Ｖ_Ｒ＝Ｒ_ＣＥＬＬ＊Ｉ_Ｐに基づいて、内部抵抗Ｒ_ＣＥＬＬに起因する電圧降下（Ｖ_Ｒ）を判定するために使用される。ネルンスト電圧、したがって、イオン濃度を判定するための後の計算における残りのサイクルのために、電気化学セルにおける実際の電圧（Ｖ_ＣＥＬＬ）から抵抗電圧（Ｖ_Ｒ）が減算される。殆どのアプリケーションでは、電圧変化ΔＶ_ＣＥＬＬは、電流遷移の前後の数マイクロ秒まで測定できる。極性反転の直前及び直後の電圧間の差分は、ΔＶ_ＣＥＬＬで表される電圧変化である。ΔＶ_ＣＥＬＬ電圧を測定するための適切な技術は、サンプルアンドホールド回路を用いる技術を含む。

上の説明は、以下の具体例に適用できる。ポンプ電流の絶対値が５ｍＡであり、測定されたΔＶ_ＣＥＬＬが０．８ボルトである場合、Ｉｐは、＋５ｍＡから−５ｍＡに飛ぶ。ΔＩｐは、１０ｍＡ（＋５ｍＡ−（−５ｍＡ））であるため、Ｒ_ＣＥＬＬは、８０オームである。測定チャンバが理論空燃比より僅かに過濃である場合（ネルンスト電圧は、０．５Ｖである。）、＋５ｍＡから−５ｍＡへの急転において、実際の測定セル電圧は、０．９Ｖから０．１Ｖに飛ぶ。このとき、ポンプ電流は、負（−５ｍＡ）になり、ポンプセルは、測定チャンバに酸素イオンをポンピングする。これによって、このチャンバは、徐々に希薄になり、ポンプセル電圧が減衰する。０Ｖの下限閾値（０．１Ｖヒステリシスを用いる）において、電流の極性は、再び逆にされ、セルの電圧は、０．８Ｖに飛ぶ（ネルンスト電圧の０．４Ｖ＋Ｖ_Ｒの０．４Ｖ）。このとき、酸素イオンは、再びチャンバからポンピングされ、ポンプセルに亘る電圧は、０．９Ｖ（ネルンスト電圧の０．５Ｖ＋Ｖ_Ｒの０．４Ｖ）の上限閾値に到達するまで再び上昇し、このような動作が繰り返される。

図１１は、例示的なポンプ電流１１４及び対応するセル電圧（Ｖ_ＣＥＬＬ）１０１８のグラフ図である。ポンプ電流１０１４が正定電流１１０２と負定電流１００４との間で切り替えられると、電気化学セル（ポンプセル）に亘る電圧（Ｖ_ＣＥＬＬ）も、正電圧と負電圧との間で振動する。上述のように、総電圧（Ｖ_ＣＥＬＬ）の一部（Ｖ_Ｒ）１１０６は、内部抵抗（Ｒ）に起因し、これを抵抗電圧（Ｖ_Ｒ）１１０６と呼ぶ。ポンプ電流が反転された後、セルには反対の抵抗電圧が現れ、総セル電圧における閾値に近付き始める。抵抗電圧とネルンスト電圧１１０８との和は、総セル電圧（Ｖ_ＣＥＬＬ）に等しい。

図１２は、センサ１２００の断面のブロック図であり、センサ１２００は、単一の電気化学セルと、測定開口１０１０としての使用される拡散ギャップ１２０２とを備える。測定側の電極は、測定チャンバ１００８に露出され、大気電極は、空気等の大気流体１２１０に露出される。上述のように、従来の広帯域センサは、ネルンスト基準セル出力と変化するポンプセル電流との間で、２つのコンポーネント間の物理的分離のために、遅延を示す。図１２の具体例では、ポンプセルの探査電極面も、被測定気体に、遅延なく直接反応するので、この遅延が生じない。これによって、測定速度が更に速くなる。したがって、図１２に示す実施の形態は、独立したセンサ基準セルなしで、他の部分は周知の技術に基づいて構成された広帯域センサの具体例である。

図１３は、センサ１３００の断面のブロック図であり、センサ１３００は、単一の電気化学セル及び測定開口１０１０のための多孔質膜１３０２を備える。図１３に示す具体例では、測定チャンバ及び拡散ギャップが省略されている。排気ガスに露出されるポンプセルの電極は、排気ガスのセンサ電極への緩やかな拡散を可能にする不活性多孔質材料で覆われている。このように、従来のセンサの単一の拡散ギャップ及び測定チャンバは、多数の拡散チャンネルに置換される。これは、本質的には、ポンプセル表面を多数の平行な動作ポンプセルに分割する。これによって、拡散ギャップを覆う単一の小粒子によってセンサが動作不能になる可能性が大幅に低減される。また、通常の広帯域センサに比べて、各ポンプセル部分は、遙かに小さい気体試料のみに対して動作すればよいため、動作速度を更に高めることができる。センサの温度は、拡散速度及びネルンスト電圧に対するその影響のために、測定することが有益であることがあり、これらのセンサのために用いられる材料は、強い負の温度係数を有するので、センサの温度は、セルの内部抵抗（オームインピーダンス）を介して測定できる。多孔層は、強い断熱特性を有する材料から形成してもよい。また、これは、ポンプセル自体のための保護としても機能できる。適切な構造によって、この多孔層は、それ自体で、センサのための保護シールドとして機能し、この結果、従来の広帯域センサの周囲に形成される金属シールドのフローダイナミクスによって引き起こされる応答速度の減速の問題が解消される。

したがって、図１０〜図１３に関して説明した装置、システム及び方法は、従来のイオン濃度測定システムに対して、幾つかの利点を提供する。２つのデバイスをなくすことによって、より容易に製造できるセンサが提供され、使用時におけるセンサ内の遅延も短縮される。制御ループの方式と比べて、ＰＷＭ方式を用いるため、より正確な結果が得られる。セルの内部抵抗は、温度に依存するので、算出された内部抵抗Ｒ_ＣＥＬＬ値を用いて、温度を測定し、ポンプセルヒータを制御することによって温度電気化学セル（ポンプセル）を調整することができる。

図１４は、測定チャンバ１４０２、一次電気化学セルシステム１４０４及び二次電気化学セルシステム１４０６を備えるイオン濃度センサ１４００のブロック図である。イオン濃度センサ１４００は、液体や気体等の流体のイオン濃度を測定するために、様々なシステム及び実施の形態内で用いることができる。後述するように、イオン濃度センサ１４００は、窒素イオンセンサを実現するために、ポンプセル、測定セル、及び電気化学セルを備えていてもよい。

一次電気化学システム１４０４及び二次電気化学システム１４０６は、それぞれ少なくとも１つの電気化学セルを含み、イオンのフロー１４０８、１４１０を、対応するポンプ電流１４１２、１４１４に応じて、測定チャンバ１４０２に入り及び測定チャンバ１４０２から出るように変更し、測定チャンバ１４０２内のイオン濃度１４２０、１４２２に基づいて、出力信号１４１６、１４１８を生成するように構成されている。すなわち、一次電気化学システム１４０４は、一次ポンプ電流１４１２に応じて、一次イオンフロー１４０８を、測定チャンバ１４０２に入り、及び測定チャンバ１４０２から出るように変更する。第１の出力信号１４１６は、測定チャンバ１４０２内の第１のイオン濃度１４２０に応じて生成される。二次電気化学システム１４０６は、二次ポンプ電流１４１４に応じて、二次イオンフロー１４１０を、測定チャンバ１４０２に入り及び測定チャンバ１４０２から出るように変更する。第２の出力信号１４１８は、測定チャンバ内の第２のイオン濃度１４２２に応じて生成される。イオン濃度１４２０、１４２２は、異なる元素のイオン濃度であってもよいが、ここに説明する具体例では、イオン濃度１４２０、１４２２は、同じ元素のものである。出力信号１４１６、１４１８の具体例は、電気化学セル又は測定セルによって生成される電気化学セル電圧を含む。以下で説明する具体例では、第２のイオン濃度１４２２は、二次電気化学システム１４０６の触媒電極の近傍の局所的酸素イオン濃度であり、第１のイオン濃度１４２０は、触媒電極の近傍を除く、測定チャンバ内に亘って実質的に一様な酸素イオン濃度である（包括的酸素イオン濃度）。したがって、これらの具体例では、第１のイオン濃度１４２０は、第１の領域内にあり、第２のイオン濃度１４２２は、第２の領域内にあり、第２の領域は、一次電気化学システムより二次電気化学システムの近傍にある。なお、特定の具体例に応じて、第１及び第２のイオン濃度１４２０、１４２２は、異なる元素のイオン濃度であってもよく、又は測定チャンバ１４０２内で異なる分布を有していてもよい。

イオン濃度センサ１４０２の動作の間、一次ポンプ電流１４１２は、第１の一次ポンプ定電流と第２の一次ポンプ定電流との間で変化し、一次イオンフロー１４０８を変更する。イオンフローの変更によって、第１のイオン濃度１４２０が上昇及び低下し、この結果、第１の出力信号１４２６を変化させる。一次ポンプ電流１４１２は、第１の出力信号１４１６に応じて調整される。後述する具体例では、一次ポンプ電流１４１２は、第１の出力信号１４１６が上限閾値に到達したとき、及び下限閾値に到達したときに反転される。第１の一次ポンプ定電流は、第２の一次ポンプ定電流に対して反対の極性を有する。

二次ポンプ電流１４１４は、第１の出力信号１４１６と第２の出力信号１４１８との間の関係に基づいて、第１の二次ポンプ定電流と、第２の二次ポンプ定電流との間で変化する。後述する具体例では、二次ポンプ電流１４１４は、第１の出力信号１４１６と第２の出力信号１４１８との間の差分が上限差分閾値に到達したとき、及びこの差分が下限差分閾値に到達したときに反転される。したがって、第２の出力信号１４１８は、第１のイオン濃度１４２０と第２のイオン濃度１４２２との間の相対イオン濃度を示し、第２の出力信号１４１８と第１の出力信号１４１６との間の関係は、イオン濃度を示す。後述する具体例では、例えば、二次ポンプ電流を制御する制御信号のデューティサイクルは、窒素酸化物（ＮＯｘ）濃度を示し、第１の出力信号１４１６は、酸素濃度を示し、第２の出力信号１４１８は、ＮＯｘを酸素及び窒素に触媒的に還元した結果の酸素濃度を示す。二次ポンプ電流又は電流を制御する制御信号に関連し又はこれらから導出された信号又は波形の何れかを評価して、ＮＯｘ濃度を判定することができ、評価される波形又は信号は、特定の具体例に依存する。また、閾値に依存し、閾値を選択することによって調整できるヒステリシス関数が形成される。

図１５は、ポンプセル１５０２、酸素測定セル１５０４及び窒素感知電気化学セル１５０６を有するＮＯｘセンサ１５０１を備える窒素酸化物（ＮＯｘ）センサシステム１５００のブロック図である。したがって、ＮＯｘセンサ１５０１は、イオンセンサ１４００の具体例であり、一次電気化学システム１４０４は、ポンプセル１５０２及び酸素測定セル１５０４を含み、二次電気化学システム１４０６は、窒素感知電気化学セル１５０６を含む。ポンプセル１５０２は、測定される外部流体１５０８と、測定チャンバ１５１０とに露出されている。酸素測定セル１５０４及び窒素感知セル１５０６は、周囲流体１５１２及び測定チャンバ１５１０に露出されている。センサ１５０１は、気体及び液体を含む様々な流体を取り扱うように設計することができるが、典型的な具体例は、気体濃度を測定するための構成を含む。適切な実現化の具体例は、内燃機関の排気システム内にＮＯｘセンサ１５０１を取り付け、排気ガスのＮＯｘ濃度を測定することを含む。したがって、このようなシステムでは、外部流体１５０８は、排気ガスであり、周囲流体１５１２は、周囲空気である。

被測定排気ガス等の被測定流体１５１４は、拡散ギャップ等の測定開口又は測定チャンバ１５１０への他の開口を介して受け取られる。図１６に関して後述するように、被測定流体１５１４は、拡散ギャップを介してポンプセル１５０２に流れる。センサ管理デバイス１５１６は、セル電流を制御し、出力信号を検出することによって、センサ１５０１を管理する。酸素測定セル１５０４は、測定チャンバ１５１０内の酸素イオン濃度を示す酸素セル出力信号１５１８を提供する。したがって、酸素イオン濃度は、図１４の具体例における第１のイオン濃度１４２０の実例である。酸素測定セル出力信号１５１８は、第１の出力信号１４１６の実例である。

動作の間、センサ管理デバイス１５１６は、ポンプセル１５０２を流れるポンプセル電流１５２０を、第１のポンプ定電流と第２のポンプ定電流との間で変更する。酸素測定セル出力信号１５１８は、センサ管理デバイス１５１６によって監視され、ポンプ電流１５２０の方向をいつ切り替えるかを判定するために使用される。酸素測定セル出力信号１５１８が上限閾値に到達すると、ポンプ電流１５２０は、測定チャンバ１５１０に酸素イオンをポンピングする正のポンプ定電流から、測定チャンバ１５１０から酸素イオンをポンピングする負のポンプ定電流に反転される。酸素測定セル出力信号１５１８が下限閾値に到達すると、ポンプ電流１５２０は、切り替えられ、正のポンプ電流に戻される。センサ管理デバイスとセンサとの接続を示すラインは、信号の機能的表現であり、物理的な接続の実際の数は、特定の具体例に依存する。幾つかの接続は、接地してもよく、他の電位に接続してもよい。図１７に関して説明するように、例えば、それぞれのセルからの電極は、接地され、センサとセンサ管理デバイスとの間では、（接地を除く）２つの電気的接続だけが行われている。

窒素感知電気化学セル１５０６は、窒素酸化物（ＮＯｘ）を窒素及び酸素に還元し、セル１５０６における局所的酸素イオン濃度を示す窒素セル出力信号１５２２を生成する電気化学セルである。図１６に関して後述する具体例では、窒素感知電気化学セル１５０６は、測定チャンバ１５１０に露出され、ＮＯｘをＮ_２及びＯ_２に触媒的に還元する白金及びロジウム（Ｐｔ／Ｒｈ）電極を有する。ＮＯｘが存在している場合、ＮＯｘセル電極の局所的酸素濃度は、測定チャンバ１５１０内の他の部分の酸素濃度より高くなる。したがって、この局所的酸素濃度は、図１４の第２のイオン濃度１４２２の具体例である。センサ管理デバイス１５１６は、窒素セル出力信号１５２２を酸素測定セル出力信号１５１８と比較し、窒素感知電気化学セル１５０６に窒素セルポンプ電流１５２４を流す。窒素セルポンプ電流１５２４は、窒素セルポンプ電流１５２４が負の場合、測定チャンバ１５１０から周囲空気１５１２に酸素イオンをポンピングし、窒素セルポンプ電流１５２４が正の場合、周囲空気１５１２から測定チャンバ１５１０に酸素イオンをポンピングする。窒素セルポンプ電流１５２４は、酸素セル出力信号１５１８と窒素セル出力信号１５２２との間の差分が上限閾値に到達したとき、及び下限閾値に到達したとき、反転される。したがって、窒素セルポンプ電流１５２４を切り替える制御信号の関数（波形）は、被測定流体１５１４のＮＯｘ濃度を示す。濃度は、他の値又は信号を観測することによって判定してもよい。例えば、窒素濃度を判定するために、窒素セルポンプ電流１５２４のデューティサイクルを解析してもよい。したがって、酸素測定セル出力信号１５１８（第１の出力信号１４１６）と窒素感知セル出力信号１５２２（第２の出力信号１４１８）との間の差分から導出され、又はこれに関連する他の値を用いて、窒素酸化物濃度を判定してもよい。

図１６は、気体内のイオン濃度を測定するための図１５のＮＯｘセンサ１５０１の実現例であるＮＯｘセンサ１６００の断面のブロック図である。すなわち、ＮＯｘセンサ１６００は、ＮＯｘセンサ１５０１の具体例であり、ＮＯｘセンサ１６００は、内燃機関の排気システム内で用いることができる。また、センサ１６００は、他のシステム内及び他の用途で使用してもよい。他の用途には、検出アラーム及び医療器具を含ませることができる。

ＮＯｘセンサ１６００は、２つのラミネートされた二酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）セラミック層１６０２、１６０４を備える。層１６０２、１６０４間の密閉された空間は、測定チャンバ１５１０を形成する。白金電極１６０６、１６０８は、排気電極１６０６が排気ガス１６１０（外部流体１５０８）に露出され、測定電極１６０８が測定チャンバ１５１０内の気体に露出されるように、第１の層１６０２の両側に配設されている。第１の層内の孔１６１２は、被測定気体１６１４（被測定流体１５１４）を受け取るための拡散ギャップを形成する。幾つかの状況では、他のタイプの拡散ギャップ及び拡散層を用いてもよい。

単一の白金電極（空気電極）１６１６は、空気電極１６１６が測定チャンバ１５１０の反対側になり、周囲空気１６１８（周囲流体１５１２）に露出されるように、第２のＺｒＯ_２層１６０４に配設されている。他の白金電極（酸素測定電極）１６２０は、第２の層１６０４上において空気電極１６１６の反対側に配設されており、空気電極１６１６及び第２の層１６０４と共に酸素測定セル１５０４を形成している。白金／ロジウム（Ｐｔ／Ｒｈ）電極１６２２は、空気電極１６１６及び第２の層１６０４と共に窒素感知電気化学セル１５０６を形成する。このように、白金電極１６０６、１６０８を有する第１の層１６０２は、ポンプセル１５０２を形成し、白金層１６１６、１６２０及びＰｔ／Ｒｈ電極１６２２を有する第２の層１６０４は、酸素測定セル１５０４及び窒素感知セル１５０６を形成する。ポンプセル１５０２を流れる電流１５２０は、電流の方向と反対の方向に酸素イオンを輸送する。酸素測定セル１５０４、ポンプセル１５０２及び窒素感知セル１５０６に亘る電圧は、以下のネルンスト式に従う。

Voutn = (R*T/ 4*F) * ln (Po1/Po2)

ここで、Ｒは、普遍気体定数であり、Ｔは、ケルビンで表される温度であり、Ｆは、ファラデー定数であり、Ｐｏ１は、１つの電極（酸素測定セル及びＰｔ／Ｒｈセルについては空気電極、ポンプセルについては排気ガス電極）の酸素分圧であり、Ｐｏ２は、他方の電極（測定チャンバ内の電極）の酸素分圧である。空気の酸素分圧は、約２００００パスカルである。

窒素感知セル１５０６は、窒素及び酸素に反応する。Ｐｔ／Ｒｈ電極１６２２は、窒素酸化物（ＮＯｘ）を窒素（Ｎ_２）及び酸素（Ｏ_２）に触媒的に還元する。このメカニズムは、Ｐｔ／Ｒｈ電極１６２２の表面において、酸素含有量（分圧）の局所的濃縮を引き起こす。したがって、ＮＯｘが存在している場合、Ｐｔ／Ｒｈ電極の近傍では、酸素の局所的濃度は上昇する。空気電極とＰｔ／Ｒｈ電極との間のネルンスト電圧は、酸素測定セル出力電圧（第１の出力信号１４１６）より低い。Ｐｔ／Ｒｈ電極１６２２の近傍の局所的酸素濃度は、図１４の第２のイオン濃度１４２２の具体例である。

図１７は、図１６のＮＯｘセンサ１６００に接続されたセンサ管理デバイス１５１６を備えるＮＯｘ測定システム１７００の概略的機能図である。ＮＯｘ測定システム１７００は、ハードウェア、ソフトウェア及びファームウェアの如何なる組合せを用いて実現してもよい。図１７を参照して説明する機能ブロックの様々な機能及び動作は、幾つのデバイス、回路又は要素によって実行してもよい。機能ブロックの何れも、単一のデバイスに統合してもよく、ブロックの機能は、複数のデバイス、回路及び要素に亘って分散させてもよい。ある場合は、幾つかの機能ブロックを省略してもよい。例えば、フリップフロップの動作は、カウンタによる出力パルスの計数が本来有している機能であるため、フリップフロップを省略してもよい。したがって、図１７は、測定システム内で接続されたセンサ１６００の実現例の図である。図１７を参照して説明する様々な要素、デバイス、値、信号及び機能は、特定の測定システム及びセンサの特定の構造、用途、環境及び要求に応じて、センサ１４００、１５０１、１６００の他の具体例を用いる他の測定システムでは異なっていてもよい。

ヒステリシスを有する第１のコンパレータ１７０２は、酸素測定セル１５０４に亘る酸素測定セル電圧１７０４（第１の出力信号１４１６）を基準電圧１７０６と継続的に比較する。この具体例では、基準電圧１７０６は、−４５０ｍＶである。酸素測定セル電圧１７０４（第１の出力信号１４１６）が下限閾値より下に低下すると、第１のコンパレータ出力は、論理ハイ信号になり、酸素測定セル電圧１７０４（第１の出力信号１４１６）が上限閾値より上に上昇すると、第１のコンパレータ出力は、論理ロー信号になる。上限閾値及び下限閾値は、コンパレータ１７０２のヒステリシスによって判定され、測定チャンバ１５１０内の酸素濃度閾値に対応するように選択される。第１のコンパレータ出力１７０７は、クロック入力１７１０が第１のフリップフロップ１７０８のＦＦ１出力１７１２をゲートするように第１のフリップフロップ（ＦＦ１）１７０８によって処理される。ＦＦ１出力１７１２は、第１の電流スイッチ１７１４を制御し、第１の電流スイッチ１７１４は、ポンプセル１５０２を流れるポンプセル電流１７１６を、第１のポンプ定電流１７１８と第２のポンプ定電流１７２０との間で切り替える。この具体例では、第１のポンプ定電流及び第２のポンプ定電流は、大きさが同じで、反対の極性を有する。したがって、第１のコンパレータ出力１７０７が下限閾値（−１／２ヒステリシス）より下に低下した後、次のクロックサイクルにおいて、第１のフリップフロップ出力１７１２は、ハイに設定される。この結果のハイＦＦ１出力は、正のポンプ定電流１７１８がポンプセル１５０２を流れるように第１の電流スイッチ１７１４を設定する。この状態では、ポンプセル１５０２は、排気側電極１６１０からポンプセル１５０２を介して、及び測定チャンバ１５１０に酸素をポンピングする。第１の電流スイッチ１７１４は、ＦＦ１出力１７１２によって切り替えられるまで、この位置に残る。酸素測定セル電圧１７０４が上限閾値（＋１／２ヒステリシス）に到達すると、第１のコンパレータ１７０２は、論理ローである第１のコンパレータ出力信号を生成する。次のクロックサイクルにおいて、第１のフリップフロップ１７０８は、出力を論理ロー信号に変更し、第１の電流スイッチ１７１４を負のポンプ定電流１７２０に切り替える。図１７には、第１のスイッチ１７１４によって切り替えられる正電流源１７２６及び負電流源１７２８を含むスイッチング電流源１７２４を示している。したがって、スイッチング電流源１７２４は、図１４の説明で言及した一次ポンプ電流１４１２を提供する。第１のポンプ定電流１７１８から第２のポンプ定電流１７２０に切り替えるスイッチング電流源１７２４の機能を実現するために、多くの技術及び回路の何れを用いてもよい。適切な技術の具体例は、上述のように、フィードバックループを提供する入力として演算増幅器の出力を用いることを含む。他の具体例は、電流源としてトランジスタ回路を使用し、電子スイッチを用いて、電流源と電流シンクとを切り替えることを含む。

ヒステリシスを有する第２のコンパレータ１７３０は、酸素測定セル電圧１７０４（第１の出力信号１４１６）とＰｔ／Ｒｈセル出力電圧１７３４（第２の出力信号１４１８）との間の関係に基づいて、出力１７３２を生成する。上述したように、Ｐｔ／Ｒｈ電極１６２２は、ＮＯｘをＮ_２及びＯ_２に還元し、Ｐｔ／Ｒｈ電極１６２２の近傍の局所的酸素濃度に基づいて、出力１７３４を生成する。ＮＯｘが存在している場合、局所的酸素濃度が上昇し、空気電極１６１６とＰｔ／Ｒｈ電極１６２２との間のネルンスト電圧は、酸素測定セル１５０４の空気電極１６２２と測定電極１６２０との間のネルンスト電圧より低くなる。第２のコンパレータ１７３０は、酸素測定セルのネルンスト電圧１７０４（第１の出力信号）をＰｔ／Ｒｈセルのネルンスト電圧（第２の出力信号）と継続的に比較する。有意のレベルのＮＯｘが存在し、ＰＴ／Ｒｈセル電圧と酸素測定セル電圧との差分が下限閾値を下回る（例えば、差分が閾値幅を超える大きさを有する）場合、第２のコンパレータ１７３０は、論理ローの第２のコンパレータ出力信号１７３２を生成する。次のクロックサイクルにおいて、第２のフリップフロップ１７３６は、これも論理ローであるＦＦ２出力１７４０を生成する。ＦＦ２ロー信号は、Ｐｔ／Ｒｈセル電流１７４２（二次ポンプ電流１４１４）が、第１のＰｔ／Ｒｈセル定電流１７４４（第１の二次ポンプ定電流）でＰｔ／Ｒｈセル１５０６を流れるように、第２の電流スイッチ１７３８を設定する。したがって、図１７の具体例では、第１の二次ポンプ定電流は、空気電極１６１６からＰｔ／Ｒｈの電極１６２２に流れる比較的小さい負のポンプ電流である。第１の二次ポンプ定電流が流されると、Ｐｔ／Ｒｈセル１５０６を形成する電気化学セルは、測定チャンバ１５１０から、Ｐｔ／Ｒｈセル１５０６を介して周囲空気１５２４に酸素をポンピングするポンプセルとして機能する。したがって、Ｐｔ／Ｒｈセル１５０６を流れる酸素フローは、電流フロー１７４２とは方向が反対である。閾値より低い局所的酸素濃度になるまで酸素が適切に消費されると、第２のコンパレータ１７３０は、論理ハイの第２のコンパレータ信号１７３２を生成する。すなわち、コンパレータ１７３０は、Ｐｔ／Ｒｈセル及び酸素測定セルが同じ電圧（又はヒステリシスのために殆ど同じ電圧）を有することを検出し、ハイの論理信号を生成する。次のクロックサイクルでは、第２のフリップフロップ１７３６は、ハイの論理信号を第２のスイッチ１７３８に供給し、Ｐｔ／Ｒｈセル電流１７４２（二次ポンプ電流１４１４）を、第１のＰｔ／Ｒｈセル定電流１７４４（第１の二次ポンプ定電流）から第２のＰｔ／Ｒｈセル定電流１７４６（第２の二次ポンプ定電流）に切り替える。すなわち、Ｐｔ／Ｒｈセル電流１７４２は、負のＰｔ／Ｒｈセル定電流１７４４から正のＰｔ／Ｒｈセル定電流１７４６に切り替わり、電流１７４４、１７４６は、ポンプセル電流１７１８、１７２０と比べて、比較的小さい。Ｐｔ／Ｒｈセルを流れる比較的小さい正の電流は、空気１５２４から測定チャンバ１５１０に酸素をポンピングする。Ｐｔ／Ｒｈ電極の近傍の局所的酸素濃度は、下限閾値に到達するまで、正の二次ポンプ電流及び何らかの触媒的に還元されたＮＯｘの貢献のために上昇し続け、処理が繰り返される。図１７には、第２のスイッチ１７３８によって切り替えられる正電流源１７５０及び負電流源１７５２を含むスイッチング電流源１７４８を示している。第１のＰｔ／Ｒｈセル定電流１７４４から第２のＰｔ／Ｒｈセル定電流１７４６に切り替えるスイッチング電流源１７４６の機能を実現するために、多くの技術及び回路の何れを用いてもよい。したがって、スイッチング電流源１７４８は、図１４の説明で言及した二次ポンプ電流１４１４を提供する。

第２のフリップフロップ出力信号１７４０のＮＯｘパルス密度出力は、測定チャンバ１５１０内のＮＯｘの濃度を示す。ＮＯｘが存在していない場合、所与の期間について、信号１７４０の論理ハイ（１）及び論理ロー（０）の数は、等しくなる。これは、Ｐｔ／Ｒｈ電極１６２２によって生成される更なる酸素をポンプアウトする必要がないためである。ＮＯｘ濃度が上昇すると、より多くの酸素が触媒的に生成され、ポンプアウトされ、所与の期間に亘って、１の数が０の数に比べて多くなる。したがって、ＮＯｘパルス密度出力１７４０のデューティサイクルは、ＮＯｘの尺度となる。

演算デバイス１７５４は、制御信号１７４０を受け取り、デューティサイクルからＮＯｘ濃度を判定する。演算デバイス１７５４は、プロセッサ、マイクロプロセッサを用いて実現してもよく、ハードウェア、ソフトウェア及び／又はファームウェアの組合せによって実現してもよい。幾つかの状況では、演算デバイスは、カウンタを備えていてもよい。幾つかの場合、テーブルを用いて、デューティサイクルを、濃度に関連付けて保存されている値と比較してもよい。他の状況では、保存されている式に基づいて濃度を算出してもよい。殆どの状況において、例えば、デューティサイクルと濃度との間の関係は、線形又は殆ど線形である。したがって、検出されたデューティサイクルを算出し、一次方程式を適用して、濃度を判定してもよい。

特定の具体例に基づき、様々な信号の極性、大きさ、論理レベル及び周波数が選択される。適切な値の幾つかの具体例を以下に示す。適切な二次ポンプ電流の具体例の１つとして、二次ポンプ電流の大きさは、一次ポンプ電流より２〜３桁小さくする。測定チャンバ内の典型的なＮＯｘ含有量は、酸素含有量より何桁も少ないため、このような選択は、適切であることが多い。第１のコンパレータのヒステリシスは、コンパレータによって制御される回路の振動が５０〜１００Ｈｚ程度の桁となるように選択する。第２のコンパレータのヒステリシスは、第２のコンパレータによって制御されるＮＯｘ回路の振動が１〜２キロヘルツ（１〜２ｋＨｚ）程度の桁となるように選択する。多くの状況では、第２のコンパレータ１７３０のヒステリシスは、セルの抵抗に起因するＰｔ／Ｒｈセルに亘る電圧（Ｖ_Ｒ）を補償するように選択される。Ｐｔ／Ｒｈセル１５０６の出力電圧（Ｖ_Ｃｅｌｌ）は、ネルンスト式に従うネルンスト電圧と、抵抗電圧（Ｖ_Ｒ）との組合せによって生じる。（Ｖ_Ｒ）は、（Ｉ_{Ｐｕｍｐ２}）＊Ｒ_Ｃｅｌｌに等しく、ここで、Ｒ_Ｃｅｌｌは、Ｐｔ／Ｒｈセルの内部抵抗（インピーダンス）であり、（Ｉ_{Ｐｕｍｐ２}）は、二次ポンプ電流である。Ｖ_Ｒは、電流の方向によって極性を切り替えるが、ネルンスト電圧では、このような切替は生じない。

したがって、測定システム１７００は、排気ガス１５０８のＮＯｘ含有量を測定する。被測定気体１６１４は、単一の拡散ギャップ１６１２を介して測定チャンバ１５１０内に拡散する。一次電気化学システムは、測定チャンバ内の酸素を流し及び測定し、二次電気化学システムは、並列に動作して、ＮＯｘを測定する。二次電気化学システムは、ＮＯｘをＮ_２及びＯ_２に還元し、一次電気化学システムによって管理される酸素のフローに平行して、測定チャンバへの及び測定チャンバからのＯ_２のフローを管理する。上述のように、このメカニズムは、従来のＮＯｘセンサに対して幾つかの利点を提供する。例えば、従来のＮＯｘセンサは、感度がより低く、その構造のために、エラー及び雑音により影響されやすい。上述のように、従来のＮＯｘセンサは、通常、２つの拡散ギャップ及び測定チャンバを備える。被測定気体は、第１の拡散ギャップを介して広帯域酸素センサによって受け取られる。広帯域酸素センサは、制限電流フローセンサ（limit current flow sensor）と（気体フローに関して）直列の位置に配設される。広帯域酸素センサは、酸素の被測定気体を消費し、ＮＯｘをそのまま残す。この酸素が消費された気体は、第２の拡散ギャップを介して第２の測定チャンバに拡散する。第２のチャンバ内のＰｔ／Ｒｈセルは、酸素及び窒素に反応する。このセルに印加された定電圧は、酸素イオンフローを引き起こす。この外部的に印加された電圧は、セルのネルンスト電圧に逆らい、したがって、非常に小さな電流が生じる。小さな電流は、僅かな範囲に亘って、ＮＯｘ含有量に対して線形である。この範囲は、分解能を犠牲にして、異なる電圧を印加することによって広げることができる。この電流は、非常に小さく（ナノアンペアの範囲）、ＮＯｘ含有量に非常に緩やかに反応するので、センサがＮＯｘ含有量に追従する速度も非常に遅い。この遅延は、２つの拡散ギャップ及び測定チャンバを介してＮＯｘを流す必要性によって、更に大きくなる。このシステムは、一定の低酸素含量に依存するので、この酸素含有量における誤差は、ＮＯｘ測定における誤差として現れる。もちろん、これは、センサの最大感度の制約となる。また、非常に小さな電流は、雑音の感度が非常に高く、測定は、電気雑音に著しく影響されやすい。これら及びこの他の制限は、ここに説明する構造、回路及び技術によって軽減又は解消される。

上述のように、図１７を参照して説明した機能及び要素は、ハードウェア、ソフトウェア及び／又はファームウェアの如何なる組合せを用いて実現してもよい。電流源１７２６及び電流シンク１７２８の適切な実現例は、切替可能な極性を有する電流源を含む。演算増幅器及び抵抗器からなるシュミットトリガ回路は、ヒステリシスを有する適切なコンパレータ１７０２の具体例である。電圧源は、抵抗分圧回路（resistor divider network）によって実現することができる。

したがって、動作の間、ヒステリシスを有するコンパレータ１７０２は、測定チャンバ電極１６２０及び空気電極１６１６を備えるＯ_２測定セルの出力を、電圧源１７０６からの固定電圧と比較する。コンパレータの出力は、第１のフリップフロップ（Ｄフリップフロップ）１７０８によって、クロック信号源に同期される。フリップフロップ１７０８の出力は、スイッチ１７１４を介して、ポンプ電流の方向を制御する。Ｄフリップフロップ１７０８の出力は、パルス密度（又はデューティサイクル）が被測定気体のＯ_２濃度に比例するパルス密度変調信号である。（ヒステリシスを有する）コンパレータ１７３０は、Ｏ_２基準セル（１６２０、１６１６）の出力を、Ｐｔ−Ｒｈ電極１６２２及び空気電極１６１６を備えるＰｔ−ＲｈＮＯｘ感知セルの電圧と比較する。ＮＯｘが存在していない場合、ＮＯｘ感知電極のネルンスト電圧と、Ｏ_２のみを感知する電極のネルンスト電圧とは同じになる筈である。しかしながら、コンパレータ１７３０のヒステリシスのために、小さいポンプ電流（Ｉ_{Ｐｔ／Ｒｈ}）がＰｔ−Ｒｈセルを流れる。このポンプ電流は、その方向に応じて、Ｐｔ−Ｒｈ電極における酸素含有量を局所的に増加又は減少させる。これにより、この電極における電圧が変化する。ヒステリシス点の１つに到達すると、コンパレータスイッチの出力は、１から０に（又は０から１に）変更される。この切替は、Ｄフリップフロップ１７３６によってクロック同期される。続いて、このＤフリップフロップの出力は、電子スイッチ１７３８を介して、ポンプ電流Ｉ_{Ｐｔ／Ｒｈ}の極性を反転させる。ＮＯｘが存在していない場合、Ｏ_２基準セルと同じネルンスト電圧を維持するためにＰｔ−Ｒｈセルに正味Ｏ_２フローを流す必要はない。この場合、所与の期間に亘って、Ｄフリップフロップ１７３６の出力は、ローと同じ頻度でハイになる。この結果、ＮＯｘパルス密度出力の平均デューティサイクルは、５０％となる。ＮＯｘが存在している場合、Ｐｔ−Ｒｈ電極において、幾つかのＮＯｘは、Ｏ_２及びＮ_２に分解される。これによって、Ｐｔ−Ｒｈ電極において、Ｏ_２分子の局所的な過剰が生じる。Ｐｔ−ＲｈセルとＯ_２基準セルとの間で同じネルンスト電圧を維持するためには、この過剰なＯ_２を取り除かなければならない。電流が、空気電極１６１６からＰｔ−Ｒｈ電極１６２２に、Ｐｔ−Ｒｈセルを流れると、セルは、酸素ポンプセルとして振る舞い、Ｏ_２イオンをＰｔ−Ｒｈ電極から空気側にポンピングする。したがって、このシナリオにおける所与の期間では、電子スイッチ１７３８は、Ｉ_{Ｐｔ／Ｒｈ１}に切り替えられた動作位置の時間が長くなる。この結果、平均デューティサイクルは、５０％より大きくなる。デューティサイクルは、ＮＯｘ濃度及び選択されたＩ_{Ｐｔ／Ｒｈ}の絶対値に依存する。殆どの状況において、平均デューティサイクルと測定気体のＮＯｘ濃度との間の関係は、線形又は略々線形である。幾つかの状況では、センサシステムは、デューティサイクルがＮＯｘ濃度に正確に相関するように較正される。適切な較正技術の具体例は、センサユニット内に実装されている１つ以上の外部抵抗器を調整することである。このような技術は、工場において、製造過程で行うことができ、これによって、線形関係の勾配が確立される。幾つかの状況では、較正を省略してもよく、較正が必要であるか否かの判定は、製造公差、必要とされるＮＯｘ濃度測定の精度、及び他の因子に依存する。

第１のコンパレータ１７０２及びフリップフロップ１７０８は、測定チャンバ内の第１のイオン濃度に応じて一次電気化学セルシステムによって生成される第１の出力信号を検出し、第１のスイッチング電流源を制御するように構成される第１の検出回路１７５６の具体例である。第１のスイッチング電流源は、一次電気化学セルシステムを流れる一次ポンプ電流を、第１の一次ポンプ定電流と第２の一次ポンプ定電流との間で切り替え、測定チャンバに入るように第１のイオンフローを流し、又は測定チャンバから出るように第１のイオンフローを流すように構成されている。一次電気化学システムは、この具体例では、測定セル及びポンプセルを含む。第２のコンパレータ１７３０及び第２のフリップフロップ１７３８は、測定チャンバ内の第２のイオン濃度に応じて二次電気化学セルシステムによって生成される第２の出力信号を検出するように構成された第２の検出器１７５８の具体例である。したがって、第２の検出器１７５８は、第１の出力信号と第２の出力信号との間の関係に基づいて、制御信号１７４０を生成するように構成されている。第２のスイッチング電流源１７４８は、制御信号１７４０に応じて、二次電気化学セルシステムを流れる二次ポンプ電流を、第１の二次ポンプ定電流と第２の二次ポンプ定電流との間で切り替え、測定チャンバに入るように第２のイオンフローを流し、又は測定チャンバから出るように第２のイオンフローを流すように構成されている。

図１８は、測定チャンバ１５１０内の酸素濃度のグラフ図１８００を示している。図１８は、値間の一般化された関係を示しており、表現された振幅及び周波数は、必ずしも目盛を付す必要はなく、実際に測定された量を表しているわけでもない。第１のイオン濃度曲線１８０２は、例えば、測定チャンバ１５１０内の包括的な酸素濃度である第１のイオン濃度１４２０を表す。第２のイオン濃度曲線１８０４は、例えば、Ｐｔ／Ｒｈ電極１６２２の近傍の局所的酸素濃度である第２のイオン濃度１４２２を表す。殆どの状況では、曲線１８０２、１８０４は、例えば、酸素測定セル１５０４及び窒素感知セル１５０６のセル電圧である第１及び第２の出力信号１４１６、１４１８に比例している。第１のイオン濃度曲線１８０２は、ある状況では、閾値を超えることがあるが、酸素濃度上限閾値１８０６と酸素濃度下限閾値１８０８との間で変化する。幾つかの状況では、酸素濃度下限閾値１８０８は、ゼロ又は略々ゼロであってもよい。したがって、酸素濃度下限閾値１８０８は、酸素測定セル電圧１７０４を基準電圧１７０６と比較する際に第１のコンパレータによって適用される下限閾値に対応する。酸素濃度上限閾値１８０６は、第１のコンパレータ１７０２によって適用される上限閾値に対応する。

図１９は、ＮＯｘパルス出力曲線１９０２のグラフ１９００を示している。図１９は、値間の一般化された関係を示しており、表現された振幅及び周波数は、必ずしも目盛を付す必要はなく、実際に測定された量を表しているわけでもない。ＮＯｘパルス出力曲線１９０２は、論理ハイ１９０４と論理ロー１９０６のレベル間で変化し、測定チャンバ１５１０内のＮＯｘ濃度に依存するデューティサイクルを有する。第２のフリップフロップ出力１７４０がＮＯｘパルス出力曲線１９０２を提供してもよい。ＮＯｘパルス出力曲線１９０２の第１の部分１９０６は、測定チャンバにＮＯｘが存在していないときの第２のフリップフロップ１７３６の出力を表している。第１の部分１９０６では、デューティサイクルは、５０パーセントである。第２の部分１９０８は、ＮＯｘが存在しているときの第２のフリップフロップ出力１７４０を表している。第２の部分は、この期間内では、所与のクロックレートにおいて、１の数が０の数より多いため、５０パーセントより大きいデューティサイクルを有する。

図２０は、センサ管理デバイス２００４に接続されたＮＯｘセンサ２００２を含むセンサシステム２０００のブロック図であり、ＮＯｘセンサ２００２は、酸素センサセル及び酸素測定セルのための機能を実行する単一の酸素電気化学セル２００６を含む。したがって、ＮＯｘセンサ２００２は、イオンセンサ１４００の具体例であり、一次電気化学システム１４０４は、酸素電気化学セル２００６を含み、二次電気化学システム１４０６は、窒素感知電気化学セル２００８を含む。外部流体２０１０は、被測定流体２０１４として、拡散ギャップ、拡散層又は他の開口を介して測定チャンバ２０１２に受け取られる。酸素電気化学セル２００６及び窒素感知電気化学セル２００８は、周囲流体２０１６及び測定チャンバ２０１２に露出されている。センサ２００２は、気体及び液体を含む様々な流体を取り扱うように設計することができるが、典型的な具体例は、気体濃度を測定するための構成を含む。適切な実現化の具体例は、内燃機関の排気システム内にＮＯｘセンサ２００２を取り付け、排気ガスのＮＯｘ濃度を測定することを含む。したがって、このようなシステムでは、外部流体２０１０は、排気ガスであり、周囲流体２０１４は、周囲空気である。センサシステム２０００は、ハードウェア、ソフトウェア及びファームウェアの如何なる組合せを用いて実現してもよい。ここに説明する機能ブロックの様々な機能及び動作は、幾つのデバイス、回路又は要素によって実行してもよい。機能ブロックの何れも、単一のデバイスに統合してもよく、ブロックの機能は、複数のデバイス、回路及び要素に亘って分散させてもよい。

センサ測定デバイス２００４は、酸素電気化学セル２００６のセル電圧２０２０に応じて、酸素電気化学セル２００６を流れるポンプ電流２０１８を、第１の定電流と第２の定電流との間で変更する。酸素電気化学セル２００６は、酸素電気化学セル２００６を流れるポンプ電流２０１８に基づいて、測定チャンバ２０１２と空気等の周囲流体２０１６との間でイオンを移動させる。また、センサ測定デバイス２００４は、酸素電気化学セル２００６のセル電圧２０２０と窒素感知セル２００８のセル電圧２０２４との間の関係に応じて、窒素感知電気化学セル２００８を流れるポンプ電流２０２２を、第１の定電流と第２の定電流との間で変更する。窒素電気化学セル２００６は、ＮＯｘを酸素イオンと窒素イオンに還元し、窒素感知電気化学セル２００８を流れるポンプ電流２０２２に基づいて、測定チャンバ２０１２と、空気等の周囲流体２０１６との間で酸素イオンを移動させる。

センサ測定デバイス２００４は、窒素感知電気化学セル２００８のセル電圧２０２４との比較のための基準を提供するために、総セル電圧２０２０から酸素電気化学セル２００６のネルンスト電圧を抽出する。酸素電気化学セルの内部抵抗を判定し、セル電圧から減算することによって、測定チャンバ内の被測定流体の第１の領域内の酸素イオン濃度を示す酸素電気化学セル２００６のネルンスト電圧が得られる。したがって、酸素電気化学セル２００６のネルンスト電圧は、図１４の第１の出力信号１４１６の具体例である。

動作の間、センサ管理デバイス２００４は、酸素電気化学セル２００６を流れるセル電流２０１２を、第１のポンプ定電流と第２のポンプ定電流との間で変更する。酸素測定セル出力信号２０２０は、センサ管理デバイス２００４によって監視され、セル電流２０１８の方向をいつ切り替えるかを判定するために使用される。酸素測定セル出力信号２０２０が上限閾値に到達すると、セル電流２０１８は、測定チャンバ２０１２に酸素イオンをポンピングする正のポンプ定電流から、測定チャンバ２０１２から酸素イオンをポンピングする負のポンプ定電流に反転される。酸素測定セル出力信号２０２０が下限閾値に到達すると、セル電流２０１８は、切り替えられ、正のポンプ電流に戻される。センサ管理デバイス２００４とセンサとの接続を示すラインは、信号の機能的表現であり、物理的な接続の実際の数は、特定の具体例に依存する。幾つかの接続は、接地してもよく、他の電位に接続してもよい。図２２に関して説明するように、例えば、空気電極は、接地され、センサとセンサ管理デバイスとの間では、（接地を除く）２つの電気的接続だけが行われている。

窒素感知電気化学セル２００８は、窒素酸化物（ＮＯｘ）を窒素及び酸素に還元し、セル２００８における局所的酸素イオン濃度を示す窒素セル出力信号２０２４を生成する電気化学セルである。図２１に関して後述する具体例では、窒素感知電気化学セル２００８は、測定チャンバ２０１２に露出され、ＮＯｘをＮ_２及びＯ_２に触媒的に還元する白金及びロジウム（Ｐｔ／Ｒｈ）電極を有する。ＮＯｘが存在している場合、ＮＯｘセル電極の局所的酸素濃度は、測定チャンバ２０１２内の他の部分の酸素濃度より高くなる。したがって、この局所的酸素濃度は、図１４の第２のイオン濃度１４２２の具体例である。センサ管理デバイス２００４は、窒素セル出力信号２０２４を酸素測定セル出力信号２０２０のネルンスト貢献部分（Nernst contribution）と比較し、窒素感知電気化学セル２００８に窒素セルポンプ電流２０２２を流す。窒素セルポンプ電流２０２２は、窒素セルポンプ電流２０２２が負の場合、測定チャンバ２０１２から周囲空気２０１４に酸素イオンをポンピングし、窒素セルポンプ電流２０２２が正の場合、周囲空気２０１４から測定チャンバ２０１２に酸素イオンをポンピングする。窒素セルポンプ電流２０２２は、酸素セル出力信号のネルンスト部分と窒素セル出力信号２０２４との間の差分が上限閾値に到達したとき、及び下限閾値に到達したとき、反転される。したがって、窒素セルポンプ電流２０２２を切り替える制御信号の関数（波形）は、被測定流体２０１４のＮＯｘ濃度を示す。濃度は、他の値又は信号を観測することによって判定してもよい。例えば、窒素濃度を判定するために、窒素セルポンプ電流１５２４のデューティサイクルを解析してもよい。したがって、酸素測定セル出力信号２０２０（第１の出力信号１４１６）と窒素感知セル出力信号２０２４（第２の出力信号１４１８）との間の差分から導出され、又はこれに関連する他の値を用いて、窒素酸化物濃度を判定してもよい。

図１５のＮＯｘ測定システムとは異なり、図２０を参照して説明したＮＯｘ測定システム２０００は、イオンをポンピング及び測定するために、個別のセルではなく、単一の電気化学セルを用いている。上述のように、ＮＯｘ濃度を判定するための基準を提供するために、総セル電圧からネルンスト電圧を抽出しなければならない。

上述したように、電気化学セルは、内部抵抗を有する。酸素電気化学セルを介して定電流が流されると、セルにおいて、ネルンスト電圧と、電気化学セルの内部抵抗によって生じる電圧降下（抵抗電圧）との和である電圧が生成される。内部抵抗は、セルのインピーダンスの実部であり、オームインピーダンス（Ohmish impedance）と呼ばれることもある。抵抗電圧（Ｖ_Ｒ）は、内部抵抗を流れるポンプ電流から生じる。ネルンスト電圧は、測定チャンバ内の酸素濃度を示し、総電気化学セル電圧（Ｖ_ＣＥＬＬ）と抵抗電圧（Ｖ_Ｒ）との間の差分に等しい。したがって、ネルンスト電圧は、電気化学電圧（Ｖ_ＣＥＬＬ）から抵抗電圧（Ｖ_Ｒ）を減算することによって算出できる。図２０の具体例では、センサ管理デバイス２００４は、正負の定電流の間でポンプ電流２０１８を継続的に切り替え、セル電圧を測定し、抵抗電圧（Ｖ_Ｒ）を減算することによって、ネルンスト電圧に基づいて、酸素濃度を判定する。センサ管理デバイス２００４は、電流管理ユニット及び演算デバイスを含んでいてもよく、電流管理ユニットは、電流を制御し、セル電圧を測定する。

したがって、測定された酸素電気化学セルの電圧は、酸素電気化学セルを流れるポンプ電流の反転をトリガするために用いられる。例えば、正のポンプ電流（Ｉ_Ｐ）の間、ネルンスト電圧（｜Ｖ_ＣＥＬＬ｜−｜Ｒ＊Ｉ_Ｐ｜）≧０．５ボルトになると、ポンプ電流（Ｉ_Ｐ）が反転され、Ｒ（内部抵抗）が後述するように算出され、処理は、ネルンスト電圧が０．４Ｖ以下になるまで、一定の負のポンプ電流によって継続される。そして、ポンプ電流（ＩＰ）は、極性が反対に戻され、これが繰り返される。この具体例でヒステリシス電圧は、０．１Ｖ（０．５Ｖ−０．４Ｖ）である。これとは異なるヒステリシス電圧を用いてもよい。

酸素電気化学セルの内部抵抗（Ｒ）を判定する適切な手法の具体例は、セルを流れる正電流から負電流への、及び／又は負電流から正電流への遷移点におけるセルの電圧変化を測定することである。ポンプ電流は、一定の正電流及び負電流の間で切り替えられるので、抵抗は、オームの法則に基づいて算出される。

内部抵抗は、電気化学セルの温度に依存している。ポンプ電流の極性反転の時点では、セルは、反応する時間がなく、新たな方向には、酸素をポンピングしていない。したがって、ネルンスト電圧を決定する酸素濃度差は、大きくは変化していない。したがって、セルの電圧変化は、少なくとも大部分は、電流の変化によって引き起こされる。電流の差及び電圧の差に基づき、内部抵抗は、Ｒ_ＣＥＬＬ＝ΔＶ_ＣＥＬＬ／ΔＩ_Ｐの関係に基づいて判定され、ここで、ΔＶ_ＣＥＬＬは、セルの電圧の差であり、ΔＩＰは、ポンプ電流の差である。内部抵抗Ｒ_ＣＥＬＬは、オームの法則、Ｖ_Ｒ＝Ｒ_ＣＥＬＬ＊Ｉ_Ｐに基づいて、内部抵抗Ｒ_ＣＥＬＬに起因する電圧降下（Ｖ_Ｒ）を判定するために使用される。窒素セル出力２０２４と比較するための基準を提供するために、酸素電気化学セルの実際の電圧（Ｖ_ＣＥＬＬ）から抵抗電圧（Ｖ_Ｒ）が減算される。殆どのアプリケーションでは、電圧変化ΔＶ_ＣＥＬＬは、電流遷移の前後の数マイクロ秒まで測定できる。極性反転の直前及び直後の電圧間の差分は、ΔＶ_ＣＥＬＬで表される電圧変化である。ΔＶ_ＣＥＬＬ電圧を測定するための適切な技術の具体例は、サンプルアンドホールド回路を用いる技術を含む。

適切なセンサ管理デバイス２００４の具体例は、インタフェース２０２６を介して測定セルシステム（酸素電気化学セル２００６及び窒素感知電気化学セル２００８）に接続されるように構成され、電流管理ユニット及び演算デバイスを形成する回路を含む装置を含む。インタフェース２０２６は、電気的コネクタ、直接ケーブル接続又はセンサ２００２とセンサ管理デバイス２００４との間で信号を伝送するための他の電気コンタクト構成を含むことができる。

図２１は、図２０のＮＯｘセンサ２００２の実現例である、気体内のイオン濃度を測定するＮＯｘセンサ２１００の断面のブロック図である。すなわち、ＮＯｘセンサ２１００は、ＮＯｘセンサ２００２の具体例であり、ＮＯｘセンサ２１００は、内燃機関の排気システム内で用いることができる。また、センサ２１００は、他のシステム内及び他の用途で使用してもよい。他の用途の具体例は、検出アラーム及び医療器具を含む。

ＮＯｘセンサ２１００は、単一のラミネートされた二酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）セラミック層２１０２を備える。層２１０２とチャンバ筐体２１０４との間の空間は、測定チャンバ２０１２を形成する。チャンバ筐体２１０４内の孔２１０６は、被測定気体２１０８（被測定流体２０１４）を受け取るための拡散ギャップを形成する。拡散ギャップは、拡散ギャップ、拡散層又は測定チャンバに開設された他の開口であってもよい。

単一の白金電極（空気電極）２１１０は、空気電極２１１０が測定チャンバ２０１２の反対側になり、周囲空気２１１２（周囲流体２０１４）に露出されるように、ＺｒＯ_２層２１０２に配設されている。他方の白金電極（酸素電極）２１１４は、空気電極２１１０と反対側の層２１０２上に配設されており、測定チャンバ内の被測定気体２１０８に露出され、空気電極２１１０及びＺｒＯ_２層２１０２と共に酸素電気化学セル２００６を形成している。白金／ロジウム（Ｐｔ／Ｒｈ）電極２１１６は、ＺｒＯ_２層２１０２の測定チャンバ側に配設され、これも測定チャンバ２０１２内の被測定気体２１０８に露出されている。白金／ロジウム（Ｐｔ／Ｒｈ）電極２１１６は、空気電極２１１０及びＺｒＯ_２層２１０２と共に窒素感知電気化学セル２００８を形成する。すなわち、酸素電極２１１４、空気電極２１１０及びＺｒＯ_２層２１０２は、酸素電気化学セル２００６を形成し、Ｐｔ／Ｒｈ電極２１１６、空気電極２１１０及びＺｒＯ_２層２１０２は、窒素感知セル２００８を形成する。

酸素電気化学セル２００６を流れる電流２０１８は、電流の方向と反対の方向に酸素イオンを輸送する。窒素感知セル２００８は、窒素及び酸素に反応する。Ｐｔ／Ｒｈ電極２１１６は、窒素酸化物（ＮＯｘ）を窒素（Ｎ_２）及び酸素（Ｏ_２）に触媒的に還元する。このメカニズムは、Ｐｔ／Ｒｈ電極２１１６の表面において、酸素含有量（分圧）の局所的濃縮を引き起こす。したがって、ＮＯｘが存在している場合、Ｐｔ／Ｒｈ電極２１１６の近傍では、酸素の局所的濃度は上昇する。ＮＯｘが存在しているとき、空気電極２１１０とＰｔ／Ｒｈ電極２１１６との間のネルンスト電圧は、酸素測定セル出力電圧２０２０（第１の出力信号１４１６）より低い。Ｐｔ／Ｒｈ電極２１１６の近傍の局所的酸素濃度は、図１４の第２のイオン濃度１４２２の具体例である。

図２２は、図２１のＮＯｘセンサ２１００に接続されたセンサ管理デバイス２００４を備えるＮＯｘ測定システム２２００の概略的機能図である。ＮＯｘ測定システム２２００は、ハードウェア、ソフトウェア及びファームウェアの如何なる組合せを用いて実現してもよい。図２２を参照して説明する機能ブロックの様々な機能及び動作は、幾つのデバイス、回路又は要素によって実行してもよい。機能ブロックの何れも、単一のデバイスに統合してもよく、ブロックの機能は、複数のデバイス、回路及び要素に亘って分散させてもよい。ある場合は、幾つかの機能ブロックを省略してもよい。例えば、フリップフロップの動作は、カウンタによる出力パルスの計数が本来有している機能であるため、フリップフロップを省略してもよい。したがって、図２２は、測定システム内で接続されたセンサ２１００の実現例の図である。図２２を参照して説明する様々な要素、デバイス、値、信号及び機能は、特定の測定システム及びセンサの特定の構造、用途、環境及び要求に応じて、センサ１４００、２００２、２１００の他の具体例を用いる他の測定システムでは異なっていてもよい。

ヒステリシスを有する第１のコンパレータ２２０２は、酸素電気化学セル２００６に亘る酸素測定セル電圧２２０４を基準電圧２２０６と継続的に比較する。この具体例では、基準電圧２２０６は、−４５０ｍＶである。酸素測定セル電圧２２０４が下限閾値より下に低下すると、第１のコンパレータ出力２２０７は、論理ハイ信号になり、酸素測定セル電圧２０２０が上限閾値より上に上昇すると、第１のコンパレータ出力は、論理ロー信号になる。上限閾値及び下限閾値は、コンパレータのヒステリシスによって判定され、測定チャンバ２０１２内の酸素濃度閾値に対応するように選択される。また、閾値は、酸素電気化学セルの内部抵抗に起因する電圧の貢献も考慮に入れている。したがって、図２２のシステムの第１のコンパレータ２２０２のヒステリシスは、図１７に関して説明したシステム１７００の第１のコンパレータ１７０２のヒステリシスより大きい。

第１のコンパレータ出力２２０７は、クロック入力２２１０が第１のフリップフロップ２２０８のＦＦ１出力２２１２をゲートするように第１のフリップフロップ（ＦＦ１）２２０８によって処理される。ＦＦ１出力２２１２は、第１の電流スイッチ２２１４を制御し、第１の電流スイッチ２２１４は、酸素電気化学セル２００６を流れる酸素セルポンプ電流２２１６を、第１のポンプ定電流２２１８と第２のポンプ定電流２２２０との間で切り替える。この具体例では、第１のポンプ定電流及び第２のポンプ定電流は、大きさが同じで、反対の極性を有する。

したがって、第１のコンパレータ出力が下限閾値（−１／２ヒステリシス）より下に低下した後、次のクロックサイクルにおいて、第１のフリップフロップ出力２２１２は、ハイに設定される。この結果のハイＦＦ１出力は、正のポンプ定電流２２１８が酸素電気化学セル２００６を流れるように第１の電流スイッチ２２１４を設定する。この状態では、電気化学セル２００６は、酸素電極２１１４から酸素電気化学セル２００６を介して、及び周囲空気から測定チャンバ２０１２に酸素をポンピングする。第１の電流スイッチ２２１４は、ＦＦ１出力２２１２によって切り替えられるまで、この位置に残る。酸素測定セル電圧２２０４が上限閾値（＋１／２ヒステリシス）に到達すると、第１のコンパレータ２２０２は、論理ローである第１のコンパレータ出力信号を生成する。次のクロックサイクルにおいて、第１のフリップフロップ２２０８は、出力を論理ロー信号に変更し、第１の電流スイッチ２２１４を負のポンプ定電流２２２０に切り替える。この状態では、酸素は、測定チャンバ２０１２から周囲空気にポンプアウトされる。図２２には、第１のスイッチ２２１４によって切り替えられる正電流源２２２６及び負電流源２２２８を含むスイッチング電流源２２２４を示している。第１のポンプ定電流２２１８から第２のポンプ定電流２２２０に切り替えるスイッチング電流源２２２４の機能を実現するために、多くの技術及び回路の何れを用いてもよい。したがって、この具体例のスイッチング電流源２２２４は、図１４で言及した一次ポンプ電流１４１２を提供する。

ヒステリシスを有する第２のコンパレータ２２３０は、酸素セル電圧２０２４（第１の出力信号１４１６）のネルンスト電圧部分２２３３とＰｔ／Ｒｈセル出力電圧２２３４（第２の出力信号１４１８）との間の関係に基づいて、出力２２３２を生成する。すなわち、この具体例では、第２のコンパレータ２２３０は、セルに亘る総電圧ではなく、酸素電気化学セル２００６によって生成されるネルンスト電圧を比較する。ネルンスト電圧抽出器２２３５は、酸素電気化学セル２００６の総電圧からネルンスト電圧を抽出する。したがって、ネルンスト電圧抽出器２２３５によって抽出されたネルンスト電圧は、図１４に関して説明した第１の出力信号１４１６の具体例である。ネルンスト電圧抽出器２０３５の適切な実現の具体例は、ポンプ電流の極性反転の直前及び直後にＯ_２基準電圧をサンプリングする二重サンプリング回路を含む。２つのサンプリング点の間の差分は、セルの内部抵抗を介するポンプ電流によって生じる電圧の２倍の大きさである。

ネルンスト電圧抽出器２２３５は、多くの技術の何れを用いて実現してもよい。適切な実現の具体例は、サンプルアンドホールド回路を用いることを含む。サンプル−ホールド回路は、通常、アナログ／デジタル変換器設計の一部として実現され、コンデンサと、電子スイッチと、演算増幅器等の低出力インピーダンス増幅器とから構成される。短いサンプルパルスは、スイッチをオンに切り替え、コンデンサを増幅器出力に接続する。これにより、コンデンサが出力電圧にチャージされる。パルスが消えると、コンデンサは、このチャージを保持し、この電荷は、Ａ／Ｄ変換によって読み出される。ネルンスト抽出器では、サンプルアンドホールドコンデンサは、電流の極性が反転された後に、非常に短いパルスでチャージ（サンプリング）される。このとき、ネルンスト電圧は、変化する時間を有していない。セルの総電圧は、ネルンスト電圧（Ｖ_{ｎｅｒｎｓｔ}）と、ポンプ電流（Ｉ_ｐｕｍｐ）によって生じた電圧と、セルの内部インピーダンス（Ｖ_{ｉｃｅｌｌ}）との和である。Ｖ_{ｉｃｅｌｌ}は、オームの法則により、Ｉ_ｐｕｍｐ＊Ｒ_{ｉｃｅｌｌ}であり、ここで、Ｒ_{ｉｃｅｌｌ}は、セルインピーダンスである。具体例として、電流が正から負に切り替わった場合、この結果、総セル出力電圧は、上昇し、上限閾値電圧に到達する。Ｉ_ｐｕｍｐの大きさは、既知であり、固定されているので、切替の直後に上限閾値電圧とサンプリングされた電圧との間の差分を測定することによって、Ｖ_{ｉｃｅｌｌ}、したがってＲ_{ｉｃｅｌｌ}を算出するための情報が得られる。切替の前のセルの電圧（Ｖ_{ｕｐｐｅｒｈ}）は、Ｖ_{ｎｅｒｎｓｔｕｐｐｅｒ}＋Ｉ_ｐｕｍｐ＊Ｒ_{ｉｃｅｌｌ}である。ネルンスト電圧Ｖ_{ｎｅｒｎｓｔ}は、電流の極性反転と、新たなセル電圧のサンプリングとの間の非常に短い期間（マイクロ秒）では、変化する時間を有していないため、極性反転の直後のサンプリングの後のコンデンサの電圧は、Ｖ_{ｓａｍｐｌｅ}＝Ｖ_{ｎｅｒｎｓｔ}−Ｉ_ｐｕｍｐ＊Ｒ_{ｉｃｅｌｌ}である。したがって、Ｖ_{ｕｐｐｅｒｈ}−Ｖ_{ｓａｍｐｌｅ}＝２＊Ｉ_ｐｕｍｐ＊Ｒ_{ｉｃｅｌｌ}である。この減算は、差動増幅器によって実行でき、デジタル的に行う必要はないが、幾つかの状況では、このようなデジタル的な演算が好ましいこともある。Ｖ_{ｉｃｅｌｌ}＝Ｉ_ｐｕｍｐ＊Ｒ_{ｉｃｅｌｌ}であるため、例えば、分圧器を用いて、この差を２で除算することによって、Ｖ_{ｉｃｅｌｌ}が得られる。セル電圧の比較のための新たな下限閾値は、Ｖ_{ｌｏｗｅｒｈ}＝Ｖ_{ｎｅｒｎｓｔｌｏｗｅｒ}−Ｖ_{ｉｃｅｌｌ}である。Ｉ_ｐｕｍｐは、定数であるので、Ｖ_{ｉｃｅｌｌ}は、温度に依存するインピーダンスＲ_{ｉｃｅｌｌ}のみによって変化する。したがって、Ｖ_{ｉｃｅｌｌ}は、温度調整のために用いることもできる。

Ｖ_{ｎｅｒｎｓｔｕｐｐｅｒ}及びＶ_{ｎｅｒｎｓｔｌｏｗｅｒ}は、特定の具体例及び要求に応じて選択される設計パラメータである。幾つかの状況においては、これらのパラメータは、同じ値であってもよい。これらの電圧の演算における加算及び減算は、デジタル的に行ってもよく、又は例えば、演算増幅器を用いた差動増幅器及び加算増幅器等の単純なアナログ回路によって、より簡単に行ってもよい。

上述したように、Ｐｔ／Ｒｈ電極２１１６は、ＮＯｘをＮ_２及びＯ_２に還元し、Ｐｔ／Ｒｈ電極２１１６の近傍の局所的酸素濃度に基づいて、出力２０２４を生成する。ＮＯｘが存在している場合、局所的酸素濃度が上昇し、空気電極２１１０とＰｔ／Ｒｈ電極２１１６との間のネルンスト電圧は、酸素電気化学セル２００６の空気電極２１１０と酸素電極２１１４との間のネルンスト電圧より低くなる。第２のコンパレータ２３３０は、酸素測定セル２００６のネルンスト電圧（第１の出力信号）を窒素感知セル出力２０２４（第２の出力信号）と継続的に比較する。内部抵抗からの僅かな貢献はあるが、窒素感知セルで用いられる電流は、主となる酸素セルポンプ電流より数桁も小さく、したがって、電圧変化は、ネルンスト電圧に比べてかなり小さい。この結果、殆どの状況では、窒素感知セルについては、ネルンスト電圧の抽出は、不要である。窒素感知セルは、Ｖ_{ｉｃｅｌｌ}を考慮に入れた、固定の上限又は下限閾値によって動作させてもよい。通常、温度（したがって、Ｒ_{ｉｃｅｌｌ}）は、調整されるので、Ｒ_{ｉｃｅｌｌ}は、大きくは変化しない。

有意のレベルのＮＯｘが存在しており、窒素感知セル電圧２０２４及び酸素電気化学セル電圧２０２０の差分が下限閾値を下回る（例えば、差分が閾値幅を超える大きさを有する）場合、第２のコンパレータ２２３０は、論理ローレベルである第２のコンパレータ出力信号２２３２を生成する。次のクロックサイクルにおいて、第２のフリップフロップ２２３６は、これも論理ローであるＦＦ２出力１７４０を生成する。ＦＦ２ロー信号は、窒素感知セル電流２０２２（二次ポンプ電流１４１４）が第１の窒素セル定電流２２４４（第１の二次ポンプ定電流）で窒素感知セル２００８を流れるように、第２の電流スイッチ２２３８を設定する。したがって、図２２の具体例では、第１の二次ポンプ定電流は、空気電極２１１０からＰｔ／Ｒｈ電極２１１６に流れる比較的小さい負のポンプ電流である。第１の二次ポンプ定電流が流されると、窒素感知セル２００８を形成する電気化学セルは、測定チャンバ２０１２から、窒素感知セル２００８を介して、周囲空気２０１４に酸素をポンピングするポンプセルとして機能する。したがって、窒素感知セル２００８を流れる酸素フローは、電流フロー２０４２とは方向が反対である。閾値より低い局所的酸素濃度になるまで酸素が適切に消費されると、第２のコンパレータ２２３０は、論理ハイの第２のコンパレータ信号２２３２を生成する。すなわち、コンパレータ２２３０は、窒素感知セル電圧及び酸素測定セルに亘る電圧のネルンスト部分２２３３が同じ電圧（又はヒステリシスのために殆ど同じ電圧）を有することを検出し、ハイ論理信号を生成する。次のクロックサイクルでは、第２のフリップフロップ２２３６は、論理ハイ信号を第２のスイッチ２２３８に供給し、窒素感知セル電流２２４２（二次ポンプ電流１４１４）を、第１の窒素感知セル定電流２２４４（第１の二次ポンプ定電流）から第２の窒素感知セル定電流２２４６（第２の二次ポンプ定電流）に切り替える。したがって、窒素感知セル電流２２４２は、負の窒素感知セル定電流２２４４から、正の窒素感知セル定電流２２４６に切り替わり、電流２２４４、２２４６は、酸素電気化学セル２００６を流れるポンプセル電流２２１８、２２２０と比べて、比較的小さい。窒素感知セル２００８を流れる比較的小さい正の電流は、空気２０１４から測定チャンバ２０１２に酸素をポンピングする。Ｐｔ／Ｒｈ電極２１１６の近傍の局所的酸素濃度は、下限閾値に到達するまで、正の二次ポンプ電流及び何らかの触媒的に還元されたＮＯｘの貢献のために上昇し続け、処理が繰り返される。図２２には、第２のスイッチ２２３８によって切り替えられる正電流源２２５０及び負電流源２２５２を含むスイッチング電流源２２４８を示している。第１の窒素感知セル定電流２２４４から第２の窒素感知セル定電流２２４６に切り替えるスイッチング電流源２２４６の機能を実現するために、多くの技術及び回路の何れを用いてもよい。したがって、スイッチング電流源２２４８は、図１４の説明で言及した二次ポンプ電流１４１４を提供する。

第２のフリップフロップ出力信号２２４０のＮＯｘパルス密度出力は、測定チャンバ２０１２内のＮＯｘの濃度を示す。ＮＯｘが存在していない場合、所与の期間について、信号２２４０の論理ハイ（１）及び論理ロー（０）の数は、等しくなる。これは、Ｐｔ／Ｒｈ電極２１１６によって生成される更なる酸素をポンプアウトする必要がないためである。ＮＯｘ濃度が上昇すると、より多くの酸素が触媒的に生成され、ポンプアウトされ、所与の期間に亘って、１の数が０の数に比べて多くなる。したがって、ＮＯｘパルス密度出力２２４０のデューティサイクルは、ＮＯｘの尺度となる。

特定の具体例に基づき、様々な信号の極性、大きさ、論理レベル及び周波数が選択される。適切な値の幾つかの具体例を以下に示す。適切な二次ポンプ電流の具体例の１つとして、二次ポンプ電流の大きさは、一次ポンプ電流より２〜３桁小さくする。測定チャンバ２０１２内の典型的なＮＯｘ含有量は、酸素含有量より何桁も少ないため、このような選択は、適切であることが多い。第１のコンパレータ２２０２のヒステリシスは、コンパレータ２２０２によって制御される回路の振動が５０〜１００Ｈｚ程度の桁となるように選択する。第２のコンパレータ２２３０のヒステリシスは、第２のコンパレータ２２３０によって制御されるＮＯｘ回路の振動が１〜２キロヘルツ（１〜２ｋＨｚ）程度の桁となるように選択する。上述のように、第２のコンパレータ２２３０のヒステリシスは、セルの抵抗に起因するＰｔ／Ｒｈセルに亘る電圧（Ｖ_Ｒ）を補償するように選択される。Ｉ_{ｐｕｍｐ２}は、Ｉ_{ｐｕｍｐ１}より数桁小さいので、Ｖ_Ｒも遙かに小さい。この貢献は、十分小さいため、ネルンスト電圧の比較のための上下の閾値は、比較の上限閾値にＲ_ｃｅｌｌ＊Ｉ_{ｐｕｍｐ２}を加算し、下限閾値からＲ_ｃｅｌｌ＊Ｉ_{ｐｕｍｐ２}を減算することによって調整できる。約８０オームの典型的なＲ_ｃｅｌｌと、１０μＡの桁のＩ_{ｐｕｍｐ２}では、調整は、約０．８ｍＶであり、したがって、比較的小さい。

したがって、測定システム２２００は、排気ガス２０１０のＮＯｘ含有量を測定する。被測定気体２１０８０は、単一の拡散ギャップ２１０６を介して測定チャンバ２０１２内に拡散する。一次電気化学システムは、測定チャンバ２０１２内の酸素を流し及び測定し、二次電気化学システムは、並列に動作して、ＮＯｘを測定する。二次電気化学システムは、ＮＯｘをＮ_２及びＯ_２に還元し、一次電気化学システムによって管理される酸素のフローに平行して、測定チャンバ２０１２への及び測定チャンバからのＯ_２のフローを管理する。上述のように、このメカニズムは、従来のＮＯｘセンサに対して幾つかの利点を提供する。

第１のコンパレータ２２０２及びフリップフロップ２２０８は、測定チャンバ内の第１のイオン濃度に応じて一次電気化学セルシステムによって生成される第１の出力信号を検出し、第１のスイッチング電流源２２２４を制御するように構成される第１の検出回路２２５６の具体例である。第１のスイッチング電流源は、一次電気化学セルシステムを流れる一次ポンプ電流を、第１の一次ポンプ定電流と第２の一次ポンプ定電流との間で切り替え、測定チャンバに入るように第１のイオンフローを流し、又は測定チャンバから出るように第１のイオンフローを流すように構成されている。この具体例では、一次電気化学セルシステムは、単一のセル出力を生成する単一の電気化学セルである。第２のコンパレータ２２３０及び第２のフリップフロップ２２３６は、測定チャンバ内の第２のイオン濃度に応じて二次電気化学セルシステムによって生成される第２の出力信号を検出するように構成された第２の検出器２２５８の具体例である。したがって、第２の検出器２２５８は、第１の出力信号と第２の出力信号との間の関係に基づいて、制御信号２２４０を生成するように構成されている。第２のスイッチング電流源２２４８は、制御信号２２４０に応じて、二次電気化学セルシステムを流れる二次ポンプ電流を、第１の二次ポンプ定電流と第２の二次ポンプ定電流との間で切り替え、測定チャンバに入るように第２のイオンフローを流し、又は測定チャンバから出るように第２のイオンフローを流すように構成されている。

図２３は、一次電気化学セルシステム及び二次電気化学セルシステムを有するセンサを管理する方法のフローチャートである。方法は、ハードウェア、ソフトウェア及び／又はファームウェアの如何なる組合せでも実行できるが、この具体例では、この方法は、センサ管理デバイス内で実行される。

ステップ２３０２では、第１の出力信号を検出する。第１の出力信号は、測定チャンバ内の第１のイオン濃度に応じて一次電気化学セルシステムによって生成される。第１のコンパレータは、第１の出力信号を受け取り、これを基準電圧と比較して、第１のスイッチング電流源を制御するための制御信号を生成する。一次電気化学セルシステムが別個のポンプセル及び測定セルを備える場合、第１の出力信号は、測定セルによって生成される。一次電気化学セルシステムが単一の電気化学セルを備える場合、第１の出力信号は、単一の電気化学セルによって生成される単一のセル出力電圧である。

ステップ２３０４では、第１の一次ポンプ定電流と第２の一次ポンプ定電流との間で一次電気化学セルシステムに一次ポンプ電流を流す。第１のスイッチング電流源は、第１のコンパレータによって生成され、第１のフリップフロップによって「クロックされた（clocked）」制御信号に応じて電流を流す。電流の変更によって、測定チャンバに及び測定チャンバから第１のイオンフローが流れる。一次電気化学セルシステムが別個のポンプセル及び測定セルを備える場合、一次ポンプ電流は、ポンプセルを流れる電流である。一次電気化学セルシステムが単一の電気化学セルを備える場合、一次ポンプ電流は、単一の電気化学セルを流れる電流である。

ステップ２３０６では、第２の出力信号を検出する。第２の出力信号は、測定チャンバ内の第２のイオン濃度に応じて二次電気化学セルシステムによって生成される。第２のコンパレータは、第２の出力信号を受け取り、これを第１の出力信号又は第１の出力信号のネルンスト電圧部分と比較し、第２のスイッチング電流源を制御するための制御信号を生成する。一次電気化学セルシステムが別個のポンプセル及び測定セルを備える場合、第２の出力信号は、第１の出力信号と比較される。一次電気化学セルシステムが単一の電気化学セルを備える場合、第２の出力信号は、ネルンスト電圧抽出器によって提供される第１の出力信号のネルンスト部分と比較される。

ステップ２３０８では、第１の出力信号と第２の出力信号との間の関係に基づいて、第１の二次ポンプ定電流と第２の二次ポンプ定電流との間で、二次電気化学セルシステムに二次ポンプ電流を流す。二次ポンプ電流は、第１の二次ポンプ定電流と第２の二次ポンプ定電流との間で変更される。第２のスイッチング電流源は、第２のコンパレータによって生成され、第２のフリップフロップによって「クロックされた（clocked）」制御信号に応じて電流を流す。電流の変更によって、測定チャンバに及び測定チャンバから第２のイオンフローが流れる。

ステップ２３１０では、化合物のイオン濃度を判定する。演算デバイスは、波形を評価し、すなわち、二次ポンプ電流に応じて、化合物のイオンの１つの濃度を判定する。二次電気化学セルシステムは、化合物を、測定チャンバに及び測定チャンバからポンピングされる元素のイオンと、濃度が算出される他のイオンとに還元する。ＮＯｘ化合物の場合、Ｐｔ／Ｒｈ電極は、ＮＯｘをＮイオンとＯイオンとに還元し、電極の近傍で、Ｏイオンの局所的濃度を形成する。したがって、ポンピングされたイオン（Ｏ）は、測定チャンバ内の第１の領域に第１の濃度を有し、測定チャンバ内の第２の領域に第２の濃度を有し、第２の領域は、第１の領域より電極の近傍にある。イオンの局所的濃度は、第２のスイッチング電流源を制御するための制御信号１７４０を評価することによって判定される。但し、制御信号（又は二次ポンプ電流）のデューティサイクルを示す信号を評価して、濃度を判定することもできる。例えば、幾つかの場合、二次ポンプ電流を直接評価してもよい。また第２のコンパレータの出力を評価してもよい。

図２４は、一次電気化学セルシステム及び二次電気化学セルシステムを含むセンサの電流を管理する方法のフローチャートである。

ステップ２４０２では、一次ポンプ電流を、第１の一定の大きさで、第１の出力信号が上限閾値に到達するまで、正の方向に流す。この具体例では、スイッチング電流源は、第１の出力電圧が上限閾値に到達したことを第１のコンパレータが検出するまで、正の一次ポンプ電流を維持し、この時点で、コンパレータ出力は、（フリップフロップを介して）スイッチング電流源に方向を変更させる。

ステップ２４０４では、一次ポンプ電流を、第１の一定の大きさで、第１の出力信号が下限閾値に到達するまで、負の方向に流す。スイッチング電流源は、第１の出力電圧が下限閾値に到達したことを第１のコンパレータが検出するまで、負の一次ポンプ電流を維持し、この時点で、コンパレータ出力は、（フリップフロップを介して）スイッチング電流源に再び方向を変更させ、正の方向及び第１の大きさを有するポンプ電流を流す。ステップ２４０２及び２４０４は、繰り返し実行される。

ステップ２４０６では、第２の出力信号と第１の出力信号との間の第１の差分が第１の差分閾値に到達するまで、二次ポンプ電流を、第２の一定の大きさで、正の方向に流す。第２のスイッチング電流源は、第２の出力信号と第１の出力電圧との間の差分が差分閾値に達したことを第２のコンパレータが検出するまで正の二次ポンプ電流を維持する。一次電気化学セルシステムが単一の電気化学セルを備える場合、第１の信号のネルンスト電圧部分が抽出され、第２の出力電圧と比較される。第１の差分閾値に到達すると、第２のコンパレータ出力は、（第２のフリップフロップを介して）第２のスイッチング電流源に方向を変更させる。

ステップ２４０８では、第２の出力信号と第１の出力信号との間の第２の差分が第２の差分閾値に到達するまで、二次ポンプ電流を、第２の一定の大きさで負の方向に流す。第２のスイッチング電流源は、第２の出力信号と第１の出力電圧との間の差分が第２の差分閾値に到達したことを第２のコンパレータが検出するまで負の二次ポンプ電流を維持する。一次電気化学セルシステムが単一の電気化学セルを備える場合、第１の信号のネルンスト電圧部分が抽出され、第２の出力電圧と比較される。第２の差分閾値に到達すると、第２のコンパレータ出力は、（第２のフリップフロップを介して）第２のスイッチング電流源に再び方向を変更させる。ステップ２４０２、２４０４、２４０６、２４０８の順序は、動作の間に変更してもよい。例えば、一次ポンプ電流の振動の周波数は、二次ポンプ電流の周波数より遙かに低いのでステップ２４０４を実行する前に、ステップ２４０６、２４０８を複数回繰り返してもよい。

図２５は、密閉チャンバセンサ（sealed chamber sensor）２５０２を含むセンサシステム２５００のブロック図である。密閉チャンバセンサ２５０２は、電気化学測定セル２５０４及び電気化学補償セル２５０６を含み、両方のセル２５０４、２５０６は、密閉チャンバ２５０８に接続されている。被測定流体２５１０、例えば、被測定気体又は液体は、測定開口２５１２を介して、測定チャンバ２５１４に受け取られる。測定開口２５１２は、被測定流体２５０８が測定チャンバ２５１４に入ることができる拡散ギャップ、拡散層若しくは他の膜又はオリフィスであってもよい。電気化学測定セル２５０４は、上述した電気化学セル１００６の動作の説明に基づいて動作する。但し、密閉チャンバセンサ２５００は、汚れ、水及び他の環境要素による汚染から生じる悪影響を受ける可能性が低い。電気化学補償セル２５０６は、電気化学測定セル２５０４を、これらの汚染への直接的な曝露から隔離する。

測定セル電流２５１６は、電気化学測定セル２５０４を流れ、密閉チャンバ２５１０と測定チャンバ２５１２との間でイオンを移動させる。したがって、第１のイオンフロー２５１８は、測定セル電流２５１６に対応する。補償セル電流２５２０は、電気化学補償セル２５０６を介して、密閉チャンバ２５０８と外部流体２５２２との間でイオンを移動させ、外部流体２５２２は、センサ２５００の特定の具体例に応じて、周囲液体、周囲空気、排気ガスであってもよく、又は他の気体又は液体であってもよい。外部流体２５２２は、外部流体２５２２から電気化学補償セル２５０６を介して密閉チャンバ２５１０に十分なイオンフローを流し込むために適切なイオン濃度を有する。したがって、第２のイオンフロー２５２４は、補償セル電流２５２０に対応している。

密閉エアチャンバ２５１０に出入りする全てのイオンは、電気化学セル２５０４、２５０６の１つを介して出入りする。したがって、密閉チャンバ２５１０は、電気化学セル２５０４、２５０６の１つを通り抜けない限り、如何なるイオンも密閉チャンバ２５１０に出入りしないという意味で密閉されている。

センサ管理デバイス２５２６は、イオン濃度を判定するために、電流２５１６、２５２０を管理し、電気化学測定セル２５０４に亘るセル電圧（Ｖ_ＣＥＬＬ）２５２８を測定するためのハードウェア、ソフトウェア及び／又はファームウェアの如何なる組合せを含んでいてもよい。したがって、センサ管理デバイス２５２６は、センサ管理デバイス２５２６が電気化学補償セル２５０６にも適切な補償電流２５２０を流す点を除いて上述と同様に動作する。補償セル電流２５２０は、電気化学測定セル２５０４を介して密閉チャンバ２５１０に流れ込んだイオンの量と同じ量のイオンが、電気化学補償セル２５０６を介して密閉チャンバ２５１０から流れ出すように、及び電気化学測定セル２５０４を介して密閉チャンバ２５１０から流れ出たイオンの量と同じ量のイオンが、電気化学補償セル２５０６を介して密閉チャンバ２５１０に流れ込むように、イオンフロー２５２４を生じさせる。２つのセル２５０４、２５０６の構造が同じである状況では、電流２５１６、２５２０は、極性が反対で大きさが等しい。センサシステム２５００は、ハードウェア、ソフトウェア及びファームウェアの如何なる組合せを用いて実現してもよい。ここに説明する機能ブロックの様々な機能及び動作は、幾つのデバイス、回路又は要素によって実行してもよい。機能ブロックの何れも、単一のデバイスに統合してもよく、ブロックの機能は、複数のデバイス、回路及び要素に亘って分散させてもよい。

図２６は、排気ガスを測定するための密閉エアチャンバを含む電気化学センサ２６００の断面のブロック図である。したがって、センサ２６００は、被測定流体及び外部流体が気体である図２５のセンサ２５０２の具体例である。図２６の具体例では、センサ２６００は、内燃機関の排気システム内の酸素濃度を測定するための広帯域の単一の測定セルセンサである。幾つかの状況では、センサ２６００は、他のシステム内で、及び他の用途のために使用してもよい。

センサ２６００は、単一のラミネートされた二酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）セラミック層２６０４を備える。ＺｒＯ_２層２６０４とチャンバ筐体２６０６との間の空間は、測定チャンバ２５１４を形成する。チャンバ筐体２６０６内の孔２５１２は、被測定気体２６０８を受け取るための拡散ギャップを形成する。したがって、被測定排気ガス２６０８は、被測定流体２５０８の具体例である。孔２５１２は、拡散ギャップ、拡散層又は測定チャンバ２５１４に開設された他の開口であってもよい。

単一の白金電極２６１０（空気電極）は、空気電極２５１０が測定チャンバ２５１４の反対側になり、密閉エアチャンバ２６０２内の密閉された空気２６１２に露出されるように、ＺｒＯ_２層２６０４上に配設されている。密閉エアチャンバ２６０２は、密閉チャンバ２５１０の具体例である。

第２の白金電極（測定電極）２６１４は、空気電極２６１０の反対側のＺｒＯ_２層２６０４上に配設されており、測定チャンバ２５１２内の被測定気体２６０８に露出され、空気電極２６１０、ＺｒＯ_２層２６０４と共に、酸素電気化学測定セル２６１６を形成している。第３の白金電極２６１８は、第２の白金電極２６１４と同じ側のＺｒＯ_２層２６０４上に配置されており、測定チャンバ２５１４の外側に位置し、これにより、第３の白金電極２６１８は、外部気体２６２０に露出されている。外部気体２６２０は、適切な量の酸素イオンを含む周囲空気、排気ガス又は他の如何なる気体であってもよい。第３の白金電極２６１８は、補償電極２６１８であり、空気電極２６１０及びＺｒＯ_２層２６０４と共に補償電気化学セル２６２２を形成する。すなわち、測定電極２６１４、空気電極２６１０及びＺｒＯ_２層２６０４は、電気化学酸素測定セル２６１６を形成し、補償電極２６１８、空気電極２６１０及びＺｒＯ_２層２６０４は、補償電気化学セル２５２２を形成する。

電気化学酸素測定セル２６１６を流れる電流（測定セル電流）は、電流の方向と反対の方向に酸素イオンを輸送する。測定セル電流と反対の極性を有する補償電流は、補償セルに流され、これにより、補償セル電流と反対の方向に酸素イオンを移動させる。電流は、セルの１つによって測定チャンバにポンピングされた酸素イオンの量が、他方の電気化学セルによって測定チャンバからポンピングされた酸素イオンの量に等しくなるように選択される。例えば、補償電極２６１８が測定電極２６１４と同じ表面積を有し、電気化学補償セル２６２２が電気化学酸素測定セル２６１６と同様の構造を有している場合、補償電流は、測定電流と極性が反対で大きさが等しい。

上述のように、電気化学補償セル２６２２が、電気化学酸素測定セル２６１６によって密閉されたエアチャンバ２６０２から消費された酸素イオンと同じ量の酸素イオンをポンピングできるように、外部気体２６２０は、適切な量の酸素イオンを有している必要がある。したがって、図２６の具体例では、外部気体２６２０は、イオンフロー２５２４を供給するために十分な酸素イオンを含む適切な水、二酸化炭素、一酸化炭素又は他の化合物が存在する排気ガス、空気又は他の気体であってもよい。

密閉エアチャンバ２６０２は、適切な量の周囲気体を確保し、酸素が消費され又は酸素が濃縮された気体が空気電極２６１０に露出される可能性を最小化又は排除する。単一のセルが開口を介して周囲空気に露出されるセンサでは、開口が遮蔽され、気流が制限される可能性がある。例えば、オフロード用の自動車は、多くの場合、汚れ、埃、泥及び水に露出され、センサは、これらの汚染物質に接触することがあり、又は水没することもある。したがって、センサ開口内の開口は、遮蔽されることがある。一方、密閉チャンバを有するセンサでは、空気電極を周囲空気に直接露出させる必要がない。補償セルは、開口を用いることなく、外気へのインタフェースを提供する。

この教示の観点から、本発明の他の実施の形態及び変形例を実施できることは、当業者にとって明らかである。したがって、本発明は、明細書及び添付の図面に関連して想到されるこのような全ての実施の形態、均等物及び変形例を含む特許請求の範囲によってのみ限定される。

Claims (23)

1. イオン濃度を測定する方法であって、
   一次電気化学セルシステムを介して一次ポンプ電流を流すステップ、
   前記一次電気化学セルシステムにおける第１イオン濃度に基づき前記一次電気化学セルシステムによって生成された第１出力信号を検出するステップ、
   前記第１出力信号を、対応する第１および第２閾値と比較した結果に基づき、第１固定一次ポンプ電流と第２固定一次ポンプ電流の間で前記一次ポンプ電流を切り替えて、多孔質膜を介して第１イオンフローを前記一次電気化学セルシステムに向かって流し、または前記一次電気化学セルシステムから遠ざけるステップであって、前記多孔質膜は前記一次電気化学セルシステムの電極表面上に配置されている、ステップ、
   を有することを特徴とする方法。
2. 前記一次ポンプ電流を流すステップは、
   前記第１イオンフローをポンプすることと前記第１出力信号を生成することに関する前記一次電気化学セルシステムの機能を実施するように構成された単一の電極ペアを備える単一の電気化学セルを介して前記一次ポンプ電流を流すステップを有する
   ことを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記第１出力信号を検出するステップは、前記単一の電気化学セルの単一のセル出力信号を検出するステップを有する
   ことを特徴とする請求項１記載の方法。
4. 前記第１固定一次ポンプ電流と前記第２固定一次ポンプ電流は、反対極性を有する
   ことを特徴とする請求項１記載の方法。
5. 前記方法はさらに、
   共通測定空間内において第２イオン濃度に基づき二次電気化学セルシステムによって生成された第２出力信号を検出するステップ、
   前記第１出力信号と前記第２出力信号との間の関係に基づき、前記二次電気化学セルシステムを介して、第１固定二次ポンプ電流と第２固定二次ポンプ電流との間の二次ポンプ電流を流して、第２イオンフローを前記共通測定空間内に向かって流し、または前記共通測定空間から出るように流すステップ、
   を有することを特徴とする請求項１記載の方法。
6. 前記第１イオン濃度と前記第２イオン濃度は、元素のイオン濃度であり、
   前記第１イオン濃度は、前記共通測定空間の第１領域の範囲内にあり、
   前記第２イオン濃度は、前記共通測定空間の第２領域の範囲内にある
   ことを特徴とする請求項５記載の方法。
7. 前記第２イオン濃度は、前記二次電気化学セルシステムにおいて、前記元素のイオンおよび少なくとももう１つの元素のイオンに還元された、化合物の元素のイオンである
   ことを特徴とする請求項６記載の方法。
8. 前記第１イオン濃度は、全体酸素イオン濃度であり、
   前記第２イオン濃度は、前記全体酸素イオン濃度よりも電極に近い局所酸素イオン濃度であり、
   前記二次電気化学セルシステムは、窒素酸化物を酸素イオンと窒素イオンに還元する前記電極を有する窒素検出電気化学セルを備える
   ことを特徴とする請求項７記載の方法。
9. 前記一次ポンプ電流を流すステップは、前記一次電気化学セルシステムのポンプセルを介して前記一次ポンプ電流を流すステップを有し、
   前記第１出力信号を検出するステップは、前記一次電気化学セルシステムの測定セルの測定セル出力信号を検出するステップを有する
   ことを特徴とする請求項５記載の方法。
10. 前記一次ポンプ電流を流すステップは、単一の電気化学セルを介して前記一次ポンプ電流を流すステップを有し、
    前記第１出力信号を検出するステップは、前記単一の電気化学セルの単一のセル出力信号を検出するステップを有する
    ことを特徴とする請求項５記載の方法。
11. 前記単一の電気化学セルは、前記第１イオンフローをポンプすることと前記第１出力信号を検出することに関する前記一次電気化学セルシステムの機能を実施するように構成された単一の電極ペアを備える
    ことを特徴とする請求項１０記載の方法。
12. 前記方法はさらに、
    前記第１出力信号が前記第１および第２閾値の上限閾値に達するまで、第１固定振幅で前記一次ポンプ電流を正方向に流すステップ、
    前記第１出力信号が前記第１および第２閾値の下限閾値に達するまで、前記第１固定振幅で前記一次ポンプ電流を負方向に流すステップ、
    前記第２出力信号と前記第１出力信号との間の第１差分が第１差分閾値に達するまで、第２固定振幅で前記二次ポンプ電流を正方向に流すステップ、
    前記第２出力信号と前記第１出力信号との間の第２差分が第２差分閾値に達するまで、前記第２固定振幅で前記二次ポンプ電流を負方向に流すステップ、
    を有することを特徴とする請求項７記載の方法。
13. 前記方法はさらに、
    前記少なくとももう１つの元素のイオン濃度を判定するステップを有する
    ことを特徴とする請求項１２記載の方法。
14. 前記イオン濃度を判定するステップは、前記二次ポンプ電流のデューティサイクルに基づき前記少なくとももう１つの元素のイオン濃度を判定するステップを有する
    ことを特徴とする請求項１３記載の方法。
15. 前記共通測定空間は、前記共通測定空間をイオンフローが無制限に通過できるように構成されている
    ことを特徴とする請求項５記載の方法。
16. 前記共通測定空間は、拡散ギャップによって分離されていない
    ことを特徴とする請求項５記載の方法。
17. 前記方法はさらに、
    前記一次電気化学セルシステムとともに電子回路を動作させて、可変パルス幅率、可変振幅、可変周波数を有する発信器を形成するステップを有する
    ことを特徴とする請求項１記載の方法。
18. イオン濃度を測定する方法であって、
    酸素電気化学セルから、前記酸素電気化学セルにおける第１酸素イオン濃度に対応する第１出力信号を受信するステップ、
    前記第１出力信号を、対応する第１および第２閾値と比較した結果に基づき、前記酸素電気化学セルを介して、一次ポンプ電流を第１固定一次ポンプ電流と第２固定一次ポンプ電流との間で変化させるステップ、
    前記第１固定一次ポンプ電流と前記第２固定一次ポンプ電流に対する応答において、多孔質膜を介して第１イオンフローを前記酸素電気化学セルに向けて流し、または前記酸素電気化学セルから遠ざけるステップであって、前記多孔質膜は前記酸素電気化学セルの電極表面上に配置されている、ステップ、
    を有することを特徴とする方法。
19. 前記方法はさらに、
    前記酸素電気化学セルとともに電子回路を動作させて、可変パルス幅率、可変振幅、可変周波数を有する発信器を形成するステップを有する
    ことを特徴とする請求項１８記載の方法。
20. 前記方法はさらに、
    窒素検出電気化学セルから、窒素酸化物を窒素イオンと酸素イオンに還元した結果として得られる第２酸素イオン濃度に対応する第２出力信号を受信するステップ、
    前記第１出力信号と前記第２出力信号との間の関係に基づき、前記窒素検出電気化学セルを介して、二次ポンプ電流を第１固定二次ポンプ電流と第２固定二次ポンプ電流の間で変化させるステップ、
    前記二次ポンプ電流による信号波形に基づき窒素酸化物濃度を判定するステップ、
    を有することを特徴とする請求項１８記載の方法。
21. 前記二次ポンプ電流を変化させるステップは、
    前記第１出力信号と前記第２出力信号との間の差分が第１窒素閾値に達するまで、前記窒素検出電気化学セルを介して前記第１固定二次ポンプ電流を流すステップ、
    前記第１出力信号と前記第２出力信号との間の差分が第２窒素閾値に達するまで、前記窒素検出電気化学セルを介して前記第２固定二次ポンプ電流を流すステップ、
    を有することを特徴とする請求項２０記載の方法。
22. 前記第１出力信号の少なくとも一部は、前記第１酸素イオン濃度に対する反応において前記酸素電気化学セルによって生成された酸素セルネルンスト電圧であり、
    前記第２出力信号の少なくとも一部は、前記第２酸素イオン濃度に対する反応において前記窒素検出電気化学セルによって生成された窒素セルネルンスト電圧である
    ことを特徴とする請求項２１記載の方法。
23. 前記方法はさらに、
    前記酸素電気化学セルおよび前記窒素検出電気化学セルとともに電子回路を動作させて、可変パルス幅率、可変振幅、可変周波数を有する発信器を形成するステップを有する
    ことを特徴とする請求項２１記載の方法。

Images