JP2022536720A - 毛細管制限型のセンサへの問い合わせ - Google Patents

Abstract

毛細管制限型の電気化学式ガスセンサを有するガス検出装置を操作する方法は、ガスセンサからの信号がガスセンサによって測定された分析対象ガスの濃度を示す検出モードと、試験ガスを送ることなく作用電極と対電極との間に非ファラデー電流を発生させるためにガスセンサに電気信号を適用することによってガスセンサに電子的な問い合わせを行う問い合わせモードとで、ガスセンサを作動させることと、周期的に問い合わせモードに移行することと、問い合わせモード中のガスセンサ出力のパラメータを測定することと、測定されたパラメータと以前に測定された１つまたは複数のパラメータとを比較することと、その比較から作動状態を判断することと、作動状態が既定の範囲内にあると判断された場合にガスセンサを検出モードに戻すことと、を備える。【選択図】 図１Ａ

Description

以下の情報は、以下に開示されている技術と、そのような技術が一般的に使用される環境とを読者が理解するのを助けるために提供されている。本明細書で使用されている用語は、本明細書で特段明確に述べられていない限り、何ら特定の狭い解釈に限定されることを意図していない。本明細書に記載されている参考文献は、技術または技術の背景の理解を助ける。本明細書で引用したすべての参考文献の開示内容は、参照により組み込まれる。

電気化学式センサは、職場環境における有毒ガスの検出に有効であることが何十年にもわたって証明されている。電気化学式センサの低コスト、応答速度、選択性は、そのようなセンサを安全製品として魅力的にしてきた特徴のごく一部である。しかしながら、これらのセンサを使用するために必要な条件の一つは、頻繁な校正である。例えば、電気化学式センサの感度は、電解液に含まれる水分量に影響され、周囲の相対湿度が変動する結果、水分量は一年のうちの季節ごとに変化する。このような相対湿度の変動により、乾燥した季節には感度が低くなり、雨の多い季節には感度が高くなる。

慎重を期してガス検知器の機能性が定期的にテストされる。例えば、携帯型ガス検知器の「バンプチェック」または機能性チェックを毎日行うのは一般的な実務である。このテストの目的は、一般に機器と呼ばれるガス検知システム全体の機能性を保証することである。また、定期的なバンプチェックや機能性チェックは、例えば、完全な較正をするまでの期間を長引かせるために、恒久的なガス検知器に対して行われることもある。ガス検知システムは、少なくとも１つのガスセンサと、電子回路と、センサを駆動し、その応答を解釈し、その応答をユーザに表示するための電源とを含む。システムは、そのような構成部品を取り囲んで保護するための筺体（ハウジング）をさらに備える。バンプチェックは、典型的には、ａ）目的のガス（通常、機器が検出することを意図しているガスを既知濃度で含むガスまたはその模擬物質）を適用すること、ｂ）センサの応答を収集して解釈すること、ｃ）システムの機能状態（すなわち、機器が正常に機能しているか否か）をエンドユーザに示すことを含む。

そのようなバンプテストは、定期的に行われ、典型的には毎日行われる。バンプチェックは、ガス検知装置が正常に機能しているという比較的高いレベルの保証をユーザに提供する。バンプチェックは、有害なガスの警報レベルの検出に必要な方法と同じ方法で、ガス検知装置における全部分の必要機能性のすべてをはたらかせる。これに関連して、バンプチェックでは、装置の外部からいくつかの輸送経路（例えば、保護膜および／または拡散膜を含む）を通ってアクティブなセンサ部品に接触するための効率的なガス移送があることを保証する。また、バンプチェックでは、センサ自体の検出機能が正常に作動しているか、センサが正常な応答機能または信号を提供しているかを保証する。さらに、バンプチェックでは、関連する電源および電子回路にセンサが正しく接続されていること、および、センサ信号が正しく解釈されていることを保証する。さらに、バンプチェックでは、ガス検知器のインジケータまたはユーザインタフェース（例えば、ディスプレイおよび／または通知機能）が意図したとおりに機能していることを保証する。

しかしながら、定期的／毎日のバンプチェック要求には、多くの重大な欠点がある。例えば、このようなバンプチェックは、特に、多くのガス検知システムまたは機器を備える産業施設などの施設では時間がかかる。また、バンプチェックでは、高価で危険性のある校正用ガスを使用する必要がある。さらに、バンプチェックでは、校正用ガスを機器に正しく移送するために、通常は加圧ガスボトル、減圧レギュレータ、チューブ、およびアダプタなどを有する専用のガス移送システムが必要となる。専用のガス移送システムを必要とするため、個人用ガス検知器のバンプチェックを行う機会は、ガス移送装置の入手状況により、場所および時間の点で制限されることが多い。

近年、拡散制限のある電気化学式ガスセンサにおけるバンプテストの回数を減らすために、多くのシステムおよび方法が提案されている。このようなシステムは、例えば、試験ガスが存在しない状態でのセンサの電子的な問い合わせを含み得る。水分の損失または増加から生じる感度の変動は、平均相対湿度がゆっくりと変化するにつれて、徐々にではあるが想定されるように起こる。同様に、電子的な問い合わせに対するセンサの応答は、（既知濃度の分析対象ガスまたはその代替物を含む試験ガスがない場合、または適用されない場合に）同様に変化する。電子的な問い合わせは、例えば、感度の変化を測定し、そのような感度の変化に合わせてセンサ出力を補正するために使用することができる。

一態様では、ガス検出装置を操作する方法は、分析物ガスに反応する、毛細管制限型の電流測定電気化学式ガスセンサを含み、
ガスセンサからの信号がガスセンサによって測定された分析対象ガスの濃度を示す検出モードと、ガスセンサに電気信号を適用することによってガスセンサの機能をテストするためにガスセンサに電子的な問い合わせを行う問い合わせモードであって、既知濃度の分析対象ガスまたはその模擬ガスを容器からセンサに送ることなく、作用電極および対電極にイオン接触する電解液を介して、ガスセンサの作用電極とガスセンサの対電極との間に非ファラデー電流を発生させる問い合わせモードと、を含む、ガスセンサを作動させる工程と、
周期的に問い合わせモードに移行する工程と、
問い合わせモード中にガスセンサの出力パラメータを測定する工程と、
測定されたパラメータと以前の問い合わせモードで以前に測定された１つまたは複数のパラメータとを比較する工程と、
測定されたパラメータと以前に測定された１つまたは複数のパラメータとの比較から作動状態を判断する工程と、
作動状態が既定の範囲内にあると判断された場合に、ガスセンサを検出モードに戻す工程と、を備える。
いくつかの実施形態において、ガスセンサは、酸素センサである。

文脈から明確に指示されない限り、本明細書で使用される「周期的に」という用語は、頻繁にまたは時々発生する作動（例えば、問い合わせモードの開始）を意味する。本明細書の問い合わせモードは、例えば、定期的な発生間隔を空けて開始することができるが、定期的な発生間隔を空けて開始する必要はない。

測定されたパラメータは、例えば、最大ピーク値（ＭＰＶ）、曲線下面積（ＡＵＣ）、最小ピーク値（ｍＰＶ）、ピーク－ピーク値（ＰＰ）、反転曲線下面積（ｒＡＵＣ）、またはベースライン値であってもよい。複数のパラメータを測定してもよい。いくつかの実施形態において、測定されたパラメータは、ガスセンサのベースライン出力である。センサのベースライン出力またはベースライン出力値は、例えば、ガスセンサに電気信号を適用する前に測定されてもよい。ベースライン出力の変化（以前に測定された１つまたは複数のベースライン出力値と比較したときの）は、例えば、ガスセンサの感度を調整するために使用されてもよい。測定された値は、例えば、値の変化（経時変化）が既定の閾値を超えるかどうかを判断するために、以前に測定された１つまたは複数の値と直接比較されてもよい。さらにまたはそれに代えて、パラメータの変化率を、測定されたパラメータおよび測定されたパラメータの以前の値から決定してもよく、既定の閾値の変化率と比較してもよい。

いくつかの実施形態では、測定されたパラメータが既定の範囲外であると判断された場合に、ガスセンサが故障状態であると判定される。本方法は、例えば、ガスセンサが故障状態にあると判定された場合に、警告（通知）を提供することをさらに含んでもよい。

ベースライン出力が測定されるいくつかの実施形態では、少なくとも１つの他のパラメータが、問い合わせモード中に測定される。少なくとも１つの他のパラメータは、例えば、最大ピーク値、曲線下面積、最小ピーク値、ピーク－ピーク値および反転曲線下面積からなる群から選択されてもよい。

いくつかの実施形態では、本方法は、ガスセンサの出力を基準値と比較する、新鮮な空気のセットアップを実行することをさらに含む。いくつかのそのような実施形態では、ガスセンサの出力が基準値の既定の範囲内にある場合、ガスセンサの出力は、２０．８体積％の酸素に相当するように調整される。

別の態様では、分析対象ガスに応答する電気化学式ガスセンサは、キャピラリ（毛細管）入口を含む筺体（ハウジング）と、筺体内の電解液と、電解液とイオン的に接触する作用電極と、電解液とイオン的に接触する対電極と、作用電極および対電極と作動可能に接続された電子回路とを含む。電子回路は、ガスセンサからの信号が、ガスセンサによって測定された分析対象ガスの濃度を示す検出モードと、既知濃度の分析対象ガスまたはその模擬ガスを容器からセンサに送ることなく、ガスセンサに電気信号を適用することによって、電解液を介して作用電極と対電極との間に非ファラデーの電流を発生させて、ガスセンサの機能をテストするためにガスセンサに電子的な問い合わせを行う問い合わせモードとで、ガスセンサを作動させるように構成されている。電子回路は、周期的に問い合わせモードに移行し、問い合わせモード中にガスセンサ出力のパラメータを測定し、測定されたパラメータと以前の問い合わせモードで以前に測定された１つまたは複数パラメータとを比較し、測定されたパラメータと以前に測定された１つまたは複数のパラメータとの比較から作動状態を決定し、作動状態が既定の範囲内にあると判断された場合に、ガスセンサを検出モードに戻すようにさらに構成される。いくつかの実施形態では、ガスセンサは酸素センサである。

上述したように、測定されたパラメータは、例えば、最大ピーク値、曲線下面積、最小ピーク値、ピーク－ピーク値、反転曲線下面積、またはベースライン値であってもよい。複数のパラメータを測定してもよい。いくつかの実施形態において、測定されたパラメータは、ガスセンサのベースライン出力である。センサのベースライン出力またはベースライン出力値は、例えば、電気信号をガスセンサに適用する前に測定されてもよい。ベースライン出力の変化（以前に測定された１つまたは複数のベースライン出力値と比較したときの）は、例えば、ガスセンサの感度を調整するために使用されてもよい。測定された値は、例えば、値の変化（経時変化）が既定の閾値を超えるかどうかを判断するために、以前に決定された１つまたは複数の値と直接比較されてもよい。さらにまたはそれに代えて、パラメータの変化率は、測定されたパラメータと、測定されたパラメータの１つまたは複数の以前の値とから決定され、既定の閾値の変化率と比較されてもよい。

いくつかの実施形態において、ガスセンサは、測定されたパラメータが既定の範囲外であると判断された場合に、故障状態であると判定される。電子回路は、例えば、ガスセンサが故障状態にあると判定された場合に、ガスセンサのユーザインタフェースシステムを介して警告を提供するようにさらに構成されてもよい。

繰り返しになるが、ベースライン出力が測定されるいくつかの実施形態において、少なくとも１つの他のパラメータが、問い合わせモード中に測定されてもよい。少なくとも１つの他のパラメータは、例えば、最大ピーク値、曲線下面積、最小ピーク値、ピーク－ピーク値、および反転曲線下面積からなる群から選択されてもよい。

いくつかの実施形態では、電子回路は、ガスセンサの出力を基準値と比較する、新鮮な空気のセットアップをもたらしたり、達成したりまたは実行したりするようにさらに構成される。いくつかのそのような実施形態では、ガスセンサの出力が基準値の既定の範囲内にある場合、ガスセンサの出力は、２０．８体積％の酸素に相当するように調整される。

さらなる態様では、分析対象ガスに反応する毛細管制限型の電流測定（アンペロメトリック）電気化学式ガスセンサを有するガス検出装置を操作する方法は、ガスセンサのベースライン出力を周期的に測定するステップと、測定されたベースライン出力と以前の１つまたは複数のベースライン出力値とを比較するステップと、測定されたベースライン出力と以前に測定された１つまたは複数のベースライン出力値との比較から作動状態を判断するステップとを含む。以前に測定された１つまたは複数のベースライン出力値と比較された、測定されたベースライン出力における変化は、例えば、感度を調整するために使用されてもよい。いくつかの実施形態において、ガスセンサは、例えば、測定されたベースライン出力が既定の範囲外であると判断された場合に、故障状態であると判定されてもよい。ガスセンサに電気信号を適用して、電解液を介して作用電極と対電極との間に非ファラデー電流を発生させることによってガスセンサの機能をテストするためにガスセンサに電子的な問い合わせを行う問い合わせモードと、ベースライン測定とは関連していてもよいが、そうである必要はない。

さらに別の態様では、分析対象ガスに反応する電気化学式ガスセンサは、キャピラリ入口を含む筺体（ハウジング）と、筺体内の電解液と、電解液とイオン接触する作用電極と、電解液とイオン接触する対電極と、作用電極および対電極と作動可能に接続された電子回路とを含む。電子回路は、ガスセンサのベースライン出力を周期的に測定し、測定されたベースライン出力を１つまたは複数の以前のベースライン出力値と比較し、測定されたベースライン出力と１つまたは複数の以前に測定されたベースライン出力値との比較から作動状態を判断するように構成されている。繰り返しになるが、１つまたは複数の以前に測定されたベースライン出力値と比較した測定ベースライン出力の変化は、例えば、電子回路を介して感度を調整するために使用されてもよい。いくつかの実施形態において、ガスセンサは、例えば、測定されたベースライン出力が既定の範囲外であると判断された場合に、電子回路を介して故障状態であると判定されてもよい。ガスセンサに電気信号を適用して、電解液を介して作用電極と対電極との間に非ファラデー電流を発生させることによってガスセンサの機能をテストするためにガスセンサに電子的な問い合わせを行う問い合わせモードと、ベースライン測定は関連していてもよいが、そうである必要はない。

本発明の装置、システム、および方法において判定される故障状態は、例えば、相対湿度の著しい変化、電解液の漏れ、および／または作用電極の機能の変化に起因する。

本発明の装置、システム、および方法は、その属性および付随する利点とともに、添付の図面と併せて利用される以下の詳細な説明において、最もよく把握され理解されるであろう。

図１Ａは、本発明の毛細管制限型の電気化学式ガスセンサの断面図を模式的に示す。

図１Ｂは、本発明の毛細管型の電気化学式ガスセンサの透視切断図を模式的に示す。

図１Ｃは、図１Ａの毛細管制限型の電気化学式ガスセンサのキャピラリ入口（毛細管入口）の拡大図を模式的に示す。

図１Ｄは、本発明の電気化学式ガスセンサの電子回路の一部を示す。

図２は、本発明の毛細管制限型の酸素ポンプ式酸素センサの、周囲の湿度条件および極端な（すなわち、周囲の範囲を著しく逸脱した）湿度条件での挙動を図示したものであり、センサ出力（０日に表示された２０．８体積％に正規化されたもの）を菱形（◆）で表し、電解液による水分の損失および増加の結果としてのセンサの重量変化を丸（●）で表している。

図３は、本発明の酸素ポンプ式酸素センサの作用電極に電位パルスを適用して得られる典型的な電流応答を示しており、センサは実験時に周囲の空気（～２０．８体積％）にさらされていた。

図４は、毛細管制限型の酸素ポンプ式酸素センサの周囲の湿度条件および極端な湿度条件での挙動をグラフ化したもので、センサ出力（０日目の２０．８体積％に正規化したもの）を菱形（◆）で表し、電位パルスを適用した結果の電流応答の最大ピーク値（ＭＰＶ）を四角（■）で表している。

図５は、本発明の毛細管制限型の酸素ポンプ式酸素センサの、周囲条件、異常乾燥条件、および通常湿度条件での挙動をグラフ化したものであり、センサ出力（ゼロ日に表示された２０．８体積％に正規化）を菱形（◆）で表し、電解液による水分の損失および増加の結果としてのセンサの重量変化を丸（●）で表している。）

図６は、本発明の毛細管制限型の酸素ポンプ式酸素センサの、周囲の湿度条件、異常乾燥の湿度条件、および通常の湿度条件での挙動を図示したものであり、センサ出力（０日に表示された２０．８体積％に正規化されたもの）を菱形（◆）で表し、電子的な問い合わせまたはパルス試験のベースライン応答パラメータを丸（●）で表している。

図７は、本発明の酸素センサの研究結果をグラフ化したものであり、センサの実際の出力を菱形（◆）で表し、典型的な装置の新鮮な空気のセットアップ（ＦＡＳ）の結果を四角（■）で表している（これらは両方とも左側の軸に対してプロットされる）。また、パルス試験のベースラインパラメータの応答を三角形（▲）で表し（右側の軸に対してプロットされる）、ラン番号（下側の軸）は連続したテストの序列カウントである（時間を表すものではない）。

本明細書の図で一般的に説明および図示されているような実施形態の構成要素は、説明された代表的な実施形態に加え、多種多様な異なる構成で配置および設計され得ることが容易に理解されることとなる。従って、図に示されているような代表的な実施形態の以下のより詳細な説明は、請求項に記載されているような実施形態の範囲を制限することを意図するものではなく、単に代表的な実施形態を例示している。

本明細書全体を通じて「一実施形態」または「実施形態」（または同様のもの）への言及は、実施形態に関連して説明される特定の特徴、構造、または特性が、少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。従って、本明細書全体の様々な箇所で「一実施形態において」または「実施形態において」などの表現が出てくることは、必ずしも全てが同じ実施形態を指しているわけではない。

さらに、記載された特徴、構造、または特性は、１つまたは複数の実施形態において任意の適切な方法で組み合わせられてもよい。以下の説明では、実施形態を完全に理解するために、多数の具体的な詳細が提供される。しかしながら、１つまたは複数の具体的な詳細がなくても実施できる、または、他の方法、構成要素、材料などを用いて様々な実施形態を実施できることを当業者であれば認識することとなる。他の例では、よく知られた構造、材料、または操作は、難読化を避けるために詳細には示されずまたは説明されない。

本明細書および添付の特許請求の範囲で使用されるように、単数形の「a」、「an」、および「the」は、文脈上特に明記されていない限り、複数の参照を含む。従って、例えば、「a parameter」という言及は、当業者に知られている複数のそのようなパラメータおよびその等価物などを含み、「the parameter」という言及は、当業者に知られている１つまたは複数のそのようなパラメータおよびその等価物などへの言及である。本明細書における値の範囲の記載は、単に、範囲内に入る各個別の値を個別に参照するための略記法として機能させることを意図したものである。本明細書では、別段の指示がない限り、各個別の値も中間の範囲も、本明細書に個別に記載されていることと同様に本明細書に組み込まれる。本明細書に記載されているすべての方法は、本明細書で特に示されていない限りまたは本文で明らかに禁忌とされていない限り、任意の適切な順序で実行することができる。

本明細書で使用される「電子回路」、「回路機構」または「回路」という用語は、機能または作動を実行するためのハードウェア、ファームウェア、ソフトウェア、またはそれぞれの組み合わせを含むが、これらに限定されない。例えば、所望の機能または必要性に応じて、ソフトウェアで制御されるマイクロプロセッサ、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）などのディスクリート論理、またはその他のプログラムされた論理デバイスを回路に含めてもよい。また、回路はソフトウェアとして完全に具現化されている場合もある。本明細書で使用されるときに、「回路」は「論理」と同義であると考えられている。本明細書で使用されるときの「論理」とは、ある機能や作動を実行したり、他のコンポーネントからある機能や作動を引き起こしたりする、ハードウェア、ファームウェア、ソフトウェア、またはそれらの組み合わせを含むが、これらに限定されない。例えば、所望の用途または需要に応じて、ソフトウェア制御のマイクロプロセッサ、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）などのディスクリート論理、またはその他のプログラムされた論理デバイスが論理に含まれてもよい。また、論理は完全にソフトウェアとして具現化されてもよい。

本明細書で使用される用語「プロセッサ」は、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、中央処理装置（ＣＰＵ）、およびデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）などの、事実上あらゆる数のプロセッサシステムまたはスタンドアロンプロセッサの１つまたは複数を、任意の組み合わせで含むが、これらに限定されない。プロセッサは、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）、プログラマブルリードオンリーメモリ（ＰＲＯＭ）、消去可能プログラマブルリードオンリーメモリ（ＥＰＲＯＭ）、クロック、デコーダ、メモリコントローラ、または割り込みコントローラといった、プロセッサの作動をサポートする様々な他の回路と関連していてもよい。これらのサポート回路は、プロセッサまたはそれに関連する電子パッケージの内部または外部に存在してもよい。サポート回路は、プロセッサと作動可能な通信を行う。サポート回路は、ブロック図または他の図面において、必ずしもプロセッサから分離して示されていない。

本明細書で使用される用語「コントローラ」は、１つまたは複数の入力デバイスおよび／または出力デバイスの作動を調整および制御する、任意の回路またはデバイスを含むが、これに限定されない。コントローラは、例えば、機能を実行するようにプログラムされることが可能な１つまたは複数のプロセッサ、マイクロプロセッサ、または中央処理装置を有する装置を含んでもよい。

本明細書で使用される「論理」という用語には、ある機能や作動を実行したり、他の要素またはコンポーネントからある機能や作動を引き起こしたりする、ハードウェア、ファームウェア、ソフトウェア、またはそれらの組み合わせが含まれるが、これらに限定されない。また、アプリケーションやニーズに応じて、ソフトウェアで制御されるマイクロプロセス、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）などのディスクリート論理、またはその他のプログラムされた論理デバイスを論理が含んでもよい。また、論理はソフトウェアとして完全に具現化されてもよい。本明細書では、「論理」という用語は「回路」という用語と同義であると考えられる。

本明細書で使用される「ソフトウェア」という用語は、コンピュータまたは他の電子デバイスに機能、作動を実行させたり、所望の方法で機能させたりする、１つまたは複数のコンピュータ可読可能または実行可能な命令を含むが、これに限定されない。命令は、ルーチン、アルゴリズム、モジュール、または個別のアプリケーションや動的リンクライブラリからのコードを含むプログラムといった、さまざまな形で具現化されてもよい。また、ソフトウェアは、スタンドアロンのプログラム、ファンクションコール、サーブレット、アプレット、メモリに格納された命令、オペレーティングシステムの一部、または他のタイプの実行可能な命令といった、さまざまな形態で実装されてもよい。例えば、所望のアプリケーションの要求、それが実行される環境、または設計者／プログラマの要望などにソフトウェアの形態が依拠することについて、当業者であれば理解することとなる。

拡散制限型の電気化学式ガスセンサのための、電子的な問い合わせ技術およびその結果としての補正は、例えば、米国特許第7,413,645号明細書、第7,959,777号明細書、第9,784,755号明細書、および第9,528,957号明細書、ならびに米国特許出願公開第2013/0186777号明細書、および第2017/0219515号明細書に開示されており、それらの開示内容は参照により本明細書に組み込まれる。そのような電子的な問い合わせアプローチでは、典型的には電位パルスなどの電気信号がセンサに適用され、その結果得られる応答が測定および記録される。

拡散制限型の電気化学式センサの作用電極に電気信号を適用する場合、応答は、例えば、以下の態様で測定されてもよい。（ｉ）電位パルスの適用時に観察される最大電流である最大ピーク値（ＭＰＶ）、（ｉｉ）電位パルスを適用した後の作用電極の積分された電流応答である（センサの充電応答に相当する）曲線下面積（ＡＵＣ）、（ｉｉｉ）最小ピーク値（ｍＰＶ）（電位パルスの除去または反転時に得られる最小の電流であり、通常、電位パルスの除去または反転の直後と直前に観測される電流の差であるが、最小電流とベースラインとの差として集計および使用することもできる）、（ｉｖ）最大電流と最小電流の代数的な差であるピーク－ピーク値（ＰＰ）、および（ｖ）反転曲線下面積（ｒＡＵＣ）（より正確には除去後曲線下面積であり、電位パルスの除去または反転後の電流応答を積分して得られる充電電流である）。これらの応答は、１つまたは複数の以前のガステスト／パルスサイクル中に取得された値と比較される。透過または拡散制限型の電気化学式ガスセンサの場合、較正値からの変化は、例えば、センサ感度の変化に相関し得る。

上述したように、電気化学式ガスセンサの電子的な問い合わせの最近の開発により、拡散制限のある電気化学式ガスセンサの場合、試験ガスによる頻繁な校正の必要性が減少した。例えば、センサテスト診断を実施すべくセンサがオフラインになっている時間（すなわち、センサ電子的問い合わせサイクルの間）を最小限にするために、電子的な問い合わせをかなり短い期間で行い得る。いくつかの実施形態において、電子的な問い合わせによって、本発明の電気化学式センサの通常（ガス感知）モード作動への復帰が、１０秒未満、５秒未満、もしくは1秒未満になり得る。センサの電子的な問い合わせのための装置、システム、および方法は、１つまたは複数のセンサを含む機器を「オンライン」の状態を維持にすることを可能にし得る。さらに、このような装置、システム、および方法は、ユーザによる開始を必要とせずに、バックグラウンド作動として、アクティブで自動的なセンサ状態の監視も提供し得る。電子的な問い合わせの頻度は様々であってよい。例えば、１時間に数回の頻度でセンサの問い合わせを提供することによって、ほぼ一定のセンサ寿命および健全状態の監視を提供することができる。

多くの電子的な問い合わせ技術が、透過制限型または拡散制限型の電気化学式ガスセンサにおいて十分に実証されている。ガスセンサの場合、検出は気相内または相の境界で行われるべきである。これは一般的に、対象となるガス分子のセンサへの気相拡散の速度によってのみセンサの速度が制限されることを示している。センサ出力を制限することを目的として、電気化学式ガスセンサなどのガスセンサは、例えば、透過制御型／拡散制御型または透過制限型／拡散制限型であってもよく、この場合、センサへの標的ガスの拡散を制限するために透過膜が使用され、または、センサへの標的ガスの拡散を制限するためにキャピラリ入口（毛細管入口）が使用される。

この点について電気化学式ガスセンサでは、測定されるガス（標的ガスまたは分析対象ガスと呼ばれることもある）は、通常、周囲の大気または環境から、例えば、ガス多孔質膜またはガス透過性膜を通って、または、毛細管入口を通って、化学反応が起こる第１電極または作用電極（検出電極と呼ばれることもある）へ至って、センサ筺体内へと入り込む。対電極（または補助電極）として知られる第２電極では、相補的な化学反応が起こる。電気化学式センサは、作用電極における分析対象ガス（すなわち、検出対象ガス）の酸化または還元から直接生じる電流の発生によって分析信号を生成する。電気化学式ガスセンサの包括的な議論は、Cao, Z. and Stetter, J.R., "The Properties and Applications of Amperometric Gas Sensors," Electroanalysis, 4(3), 253 (1992)にも記載されており、その開示内容は参照により本明細書に組み込まれる。

作用電極と対電極との組み合わせによって電気信号が生成し、その電気信号は（１）分析対象ガスの濃度に関連し、（２）分析対象の全範囲にわたって分析対象ガスの濃度レベルを区別するのに適した信号対ノイズ比を提供するのに十分な強さである。換言すると、作用電極と対電極との間の電流の流れは、測定可能なように、対象となる濃度範囲における分析対象ガスの濃度に比例していなければならない。

作用電極および対電極に加え、電気化学式センサは、一般的に参照電極と称される第３電極を含む場合が多い。参照電極は、作用電極を既知の電圧または電位に維持するために使用される。参照電極は、電解液中で物理的および化学的に安定していることが望ましい。

作用電極および対電極の間の電気的接続は、電解液を介して維持される。電解液の機能は以下の通りである。（１）イオン電流を効率的に運ぶこと、（２）分析対象ガスを可溶化すること、（３）対電極および作用電極の両方の反応をサポートすること、（４）安定した参照電位を参照電極と形成すること。電解液の基準は、例えば、以下のようなものを含む。（１）電気化学的不活性、（２）イオン伝導性、（３）化学的不活性、（４）温度安定性、（５）低コスト、（６）低毒性、（７）低可燃性、および（８）適切な粘度。

一般的に、電気化学式セルの電極は、電解質溶液のイオン伝導と電極の電子伝導とが組み合わさって、電流のための完全な回路を提供するメカニズムを提供するために、酸化または還元（レドックス）反応が起こる表面を提供する。電気化学式セルのセル反応から生じる測定可能な電流は、電極で発生する反応の程度に正比例する。従って、電気化学式セルで高い反応速度が維持されることが好ましい。そのため、電気化学式セルの対電極および／または作用電極は、一般的に、反応速度をサポートするために、その表面に適切な電極触媒を含む。

静電力の結果、作用電極表面に非常に近い溶液の体積部分は、非常に高度に秩序化された構造である。この構造は電極プロセスを理解する上で重要である。電極表面に非常に近い溶液の体積部分は、拡散層、散乱層、またはヘルムホルツ層若しくは面と様々に称される。

電気化学式セルに存在する抵抗および静電容量の大きさは、その製造に使用される材料の性質および独自性の結果である。電解液の抵抗は、溶媒に溶けているイオンの数および種類に起因する。電極の静電容量は、主に電極触媒の有効表面積の関数である。理想環境では、これらの量は不変である。しかしながら、水系電解液を用いた電流測定ガスセンサでは、周囲の様々な相対湿度の変化にさらされた結果、溶液抵抗が変化することがある。センサから水分が蒸散すると、イオン性電解質の化学的濃度が上昇する。この濃度変化によって、実際に使用される電解液に応じて、電解液の抵抗率の増加または減少が引き起こされる可能性がある。

さらに、通常は特定の溶媒に溶けないと考えられている物質であっても、その物質の溶媒中の濃度は上限のある低いものである。例えば、電気化学式センサの電解液中には、電極の金属が溶けているが、その濃度は非常に低く上限値がある。このわずかな濃度の溶解金属は、常に流動している。つまり、金属原子は常に電極から溶け出し、どこか別の箇所に再付着されている。このプロセスの正味の影響は、電極の有効表面積を減少させることである。これにより、時間の経過とともにセンサの静電容量が減少する影響が生じる。上述の両方の影響は、センサの寿命期間中にセンサの感度を変化させるという正味の影響を有する。

図１Ａおよび図１Ｂは、本発明の装置、システム、および方法で使用され得る毛細管制限型の電気化学式センサ１０の代表的な実施形態の概略図を示す。センサ１０は、１つまたは複数の標的ガスまたは分析ガスをセンサ１０に入れるための毛細管の形をしたガス入口３０を有する筺体（ハウジング）２０を含む。名称の通り、センサ１０などの毛細管制限型のセンサは、約１００：１の一般的または典型的なアスペクト比（長さ：直径またはｌ：ｄ）を有する非常に小さい入口穴３０（すなわち、毛細管）を使用する（例えば、入口３０の軸方向および半径方向の断面図と、その周囲の筺体２０の円筒形部分とを示す図１Ｃを参照）。

図１Ｃにおいて、ｐ２は入口３０の外側の標的ガスの分圧であり、ｐ１は入口３０の内側の開口部における標的ガスの分圧であり、ｃ２は入口３０の外側の標的ガスの濃度であり、ｃ１は入口３０の内側の開口部（または実質的にゼロである表面の作用電極５０）における標的ガスの濃度である。 しばしば「通常の毛細管現象による拡散」と呼ばれるものは、実際にはグラハムの噴出法則の特殊なケースである。例えば、Barrow, G.M.: Physical Chemistry, 4th edition. New York NY: McGraw Hill (1979)を参照されたい。一般に、「拡散」とは、圧力（または分圧）の高い領域または濃度の高い領域から、直径が非常に小さい多孔質の壁または管を通って、それぞれ圧力の低い領域または濃度の低い領域に気体がバルクで流れることをいう。また、「噴出」とは、オリフィスや膜を通過するバルクフローではなく、分子フローに起因する移動のプロセスを指す。

市場では、毛細管制限型の酸素センサ（Ｏ_２センサ）が優位なＯ_２センサとなっている。この優位性は、多くの性能基準が容積パーセント（体積％）Ｏ_２濃度で示されていることにほぼ起因する。毛細管型のＯ_２センサは、Ｏ_２分圧（体積％Ｏ_２濃度が一定であっても全大気圧によって変化する）に影響されずに体積％Ｏ_２を測定する。換言すると、毛細管型のセンサは、圧力に関係なく、サンプル中の体積％標的ガスに単純に反応する。毛細管式センサの出力は、次の式で与えられる。

この式は、センサ出力ｉ_ｌｉｍが毛細管（キャピラリ）の寸法ｄ^２／ｌに直接影響されることを示している。Ｄ_０は標的ガス（例えばＯ_２）の拡散係数である。また、センサの出力は、温度の平方根（Ｔ^１／２、１℃あたり約０．１７％）に応じて変化する。さらに、ｖ_１／Ｖ（または、センサが感知している試験環境の体積Ｖで標的ガスの体積ｖ_１を割ったもの）は、試験環境における標的ガスの体積分率（例えば、試験雰囲気中のＯ_２の体積）である。

いくつかの実施形態において、電解液で飽和した芯材４０ａ、４０ｂおよび４０ｃは、センサ１０内で参照電極７０および対電極８０と作用電極５０とを分離させていてもよく、および／または、筺体２０内において芯材４０ａ、４０ｂおよび４０ｃ内に吸収された電解液４４を介して、それらの間でイオン伝導を提供してもよい。当技術分野で知られている電子回路１００は、例えば、作用電極５０と参照電極７０との間の所望の電位差を維持すること、本明細書に記載されているように電位差を変化またはパルス化すること、および、センサ１０からの出力信号を処理すること、を提供する。センサ電極は、筺体２０を介した導電的な電気的伝導性／接続性を提供するコネクタ９０を介して、電気回路１００と接続して配置される。

図示された実施形態では、作用電極５０は、例えば、第１の電極触媒層５４をガス拡散膜５２上に堆積させる（例えば、センサ技術で知られている触媒堆積技術を使用する）ことによって形成されてもよい。 センサ１０は、キャピラリ入口３０の裏側部分にガス拡散膜５２を含んでいてもよいが、透過型または拡散制限型のセンサの場合とは異なり、ガス拡散膜５２を介した拡散は速度制限を受けない。膜５２は、筺体２０内で電解液４４を保持し、センサ１０内で電極触媒層／表面５４を支持する役割を果たす。ガスは、拡散膜５２を通って容易に移動または移送される（例えば、拡散を介して）が、電解液４４は、拡散膜５２を通って容易に移動または輸送しない。作用電極５０の拡散膜５４は、筺体２０の上部、キャップまたは蓋２２の内面に（例えば、ヒートシールを介して）取り付けられてもよい。

電子回路１００は、例えば、センサ１０の作動の様々な側面を制御するための１つまたは複数のプロセッサまたはマイクロプロセッサを含むプロセッサまたはコントローラシステム１０２を含んでもよい。メモリシステム１０４は、プロセッサシステム１０２と作動的または通信的に接続されて配置されてもよく、センサ１０における制御、測定および／または分析のためのソフトウェアを格納してもよい。ユーザインタフェースシステム１０６（例えば、ディスプレイ、スピーカなどを含む）も、プロセッサシステム１０２と作動的または通信的に接続されて配置されてもよい。トランシーバなどの通信システム１０８は、有線および／または無線通信のために、プロセッサシステム１０２と作動的または通信的に接続されて配置されてもよい。電源１１０（例えば、バッテリーシステム）は、電子回路１００に電力を供給してもよい。

本明細書で検討したセンサの多数の代表的な実施形態では、電気化学式センサ１０は酸素ポンプセンサである。代表的な作用電極５０は、例えば、電極触媒層５４として白金または白金を炭素上に分散させたものを含んでいてもよい。また、例えば、Ｈ_２ＳＯ_４などの酸性電解液を用いてもよい。そのようなＯ_２センサの作用電極半反応、対応する対電極半反応、および、全反応を以下に示す。「酸素ポンプ」という用語は、センサ全体の反応では何も消費されないという観察に由来している。つまり、作用電極でＯ_２分子が還元されるたびに、対電極では電解質溶液の水が酸化されることで、別のＯ_２分子が生成される。

図１Ａおよび図１Ｂに示されるように、センサ筺体２０には、対電極７０と空間的に連通するベント９０が形成されている。ベント９０によって、対電極７０で生成されたＯ_２を筺体２０から逃がすことができる。生成されるＯ_２の量は非常に少ない（１秒間に数ナノリットル程度）。しかしながら、センサ１０の寿命を超えると、生成されるＯ_２がかなり多くなる。センサ１０が効率的に通気されないと、圧力がセンサ筺体２０内で上昇し、センサ信号を乱すか、または電解液の漏れを引き起こす。

図１Ｄは、本発明のセンサのいくつかの実施形態における使用に適した電子回路または制御回路１００の一部の実施形態を模式的に示している。図１Ｂに図示された電子回路１００の一部は、電位差回路と称されることもある。図１Ａに示すような三電極センサでは、参照電極７０と検出電極または作用電極５０との間に特定の電位差または電圧が維持され、電気化学反応が制御され、センサによって生成される電流に比例した出力信号が移送される。上述したように、作用電極５０は、分析ガスまたは標的ガスに反応して、ガスを酸化または還元する。この酸化還元反応により、ガスの濃度に比例した電流が生じる。電流は対電極８０を介してセンサ１０に供給される。対電極８０では、作用電極５０での反応とは逆の酸化還元反応が起こり、作用電極５０との回路が完成する。対電極８０の電位はそのまま変動させておいてもよい。ガスが検出されると、セル電流が上昇し、対電極８０が参照電極７０に対して分極する。作用電極５０の正常な電位を維持するために回路が十分な電圧および電流を供給する限り、対電極８０での電位は重要ではない。

例えば、米国特許出願公開第2017/0219515号明細書に記載されているように、電気回路１００の測定回路は、単段のオペアンプまたはオペアンプＩＣ１を含む。センサ電流は、ゲイン抵抗器１２０（図示の実施形態では５ｋΩの抵抗を有する）にわたって反射され、出力電圧を生成する。負荷抵抗器１２２（図示の実施形態では５６Ωの抵抗を有する）は、例えば、最速の応答時間と最良の信号対ノイズ比との間のバランスによって選択されてもよい。

制御用オペアンプＩＣ２は、ポテンショスタティック制御を提供し、また、作用電極５０が必要とする電流とバランスするように、対電極８０に電流を供給する。ＩＣ２への反転入力は、参照電極に接続されているが、参照電極から何ら有意な電流を引き出さない。

センサ１０のような本発明のセンサの電子的な問い合わせの間、非ファラデーの電流が（例えば、作用電極５０への電気信号の形でのエネルギーの適用を介して）誘導されてもよい。例えば、非ファラデー電流を発生させるように段階的な電位変化を生じさせることができる。生成された非ファラデー電流は、電極の充電の結果として、センサの機能または健全状態を監視するために使用され得る。しかしながら、上述したように、その後センサは、標的ガスまたは分析対象ガスを感知するための通常の作動のために、通常のバイアス電位または電位範囲に戻される。センサを作動バイアスまたは作動電位差（ゼロの場合もある）に戻すプロセスでは、逆方向に電流ピーク（電荷の蓄積）が生じる。作動電位差への復帰時に発生する電流ピークは、消滅するのに数秒かかることもある。

センサの健全性またはセンサの状態に関する情報は、ＭＰＶ、ＡＵＣ、ｍＰＶ、またはｒＡＵＣ分析から得られてもよい。センサの問い合わせは、例えば、結果として得られる応答／電流曲線において、単一のデータポイントまたは短い時間スパンでの複数のデータポイントを測定／分析することを含んでもよい。センサ１０（または本発明の別のセンサ）において非ファラデー電流を誘導する際、および／または、センサ１０（または本発明の別のセンサ）をその作動電位差に戻す際、に生じる電流ピークが比較的大きくても迅速に放電させることを、センサ電子機器１００の能動的な制御によって（例えば、作用電極５０と、試験電位差が適用された後に出力／応答が測定される時点と、の間における電子回路１００の負荷抵抗を減少させることによって）達成してもよい。いくつかの実施形態では、作用電極５０とオペアンプＩＣ１の出力との間の負荷抵抗は、低い値に減少する。その後、電荷が実質的に散逸した後または完全に散逸した後、作用電極５０とオペアンプＩＣ１の出力との間の負荷抵抗は、通常のまたは作動時の負荷抵抗に（または負荷抵抗の作動範囲内に）復元される。

いくつかの実施形態では、負荷抵抗器１２２（図１Ｄ参照）をバイパスして、作用電極５０とオペアンプＩＣ１の反転端子との間の負荷抵抗を減少させてもよい。バイパス回路１２４は、例えば、負荷抵抗器９２をバイパスするために設けられてもよい。いくつかの実施形態では、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）１２６をバイパス回路１２４のスイッチとして用いて、負荷抵抗器１２２の周囲でバイパスまたは短絡を制御可能に作用させた。いくつかの実施形態では、金属－酸化膜－半導体ＦＥＴまたはＭＯＳＦＥＴが使用されてもよい。

拡散制限型の電流測定（アンペロメトリック）電気化学式ガスセンサとは異なり、本発明の毛細管制限型センサは、中・長期的な湿度変化には敏感ではない。中期的な湿度変化は、例えば、日中の相対湿度変化であり、これは、例えば、±３０であり得る。長期的な湿度変化は、２～３ヶ月の期間といった長期間にわたって累積される。例えば、図２は、毛細管制限型の酸素ポンプタイプの本発明のセンサにおける、通常環境および極端な大気中の湿度に対する応答を示している。図２に示す実験は、ガス試験結果（◆）と、代表的な酸素センサ群が大気の様々な湿度にさらされたときの重量変化（●）とを相関させることによって行われた。これらの実験では、ペンシルバニア州クランベリー・タウンシップにあるMSA Safety Incorporated社の製品名「XCELL」（登録商標）という酸素センサを使用した。図２に劇的に示されるように、酸素センサの電解液は、この種のセンサに一般的に使用されている水性電解液の吸湿性に起因して、大気中の湿度に応じて水分を増やしたり減らしたりする。電解液中の水分の増減は、ほぼ通気口２６を介して行われる（例えば、図１Ａ参照）。一酸化炭素（ＣＯ）や硫化水素（Ｈ_２Ｓ）を検出するように設計されたセンサのような透過型または拡散制限型のセンサとは異なり、毛細管制限型の酸素センサの出力は、図２の研究の湿度の変化に反応しない。この中長期的な湿度変化に対して相対的に鈍感であるため、酸素ポンプ型電気化学式ガスセンサなどの毛細管制限型の電気化学式ガスセンサに作動状態の問い合わせを適用するためには、異なるアプローチが必要であることが示唆される。

図３は、毛細管制限型の典型的な酸素ポンプ式センサの作用電極に、電位パルスなどの電気信号を適用した場合に得られる典型的な応答を示している。パルスのパラメータ（大きさおよび持続時間）は重要ではない。しかしながら、短時間のパルスを使用することで、本発明の電気化学式ガスセンサが問い合わせモードになっている時間を最小限にすることができる（それにより、センサが分析対象物を検出するためのセンサモードになっている時間を最大限にすることができる）。作用電極に電流パルスを適用して電位応答を観察して、同様のデータを得てもよい。このような実験から得られる数値パラメータには、少なくとも６つのパラメータがあり、ベースライン、すなわち周囲の雰囲気に対するセンサの通常の応答（例えば、電位パルスを適用する直前）、最大ピーク値（ＭＰＶ）、曲線下面積（ＡＵＣ）、最小ピーク値（ｍＰＶ）、ピーク－ピーク値（ＰＰ）、および反転曲線下面積（ｒＡＵＣ）などである。

ＭＰＶ、ＰＰ、ＡＵＣ、ｍＰＶ、およびｒＡＵＣなどのパラメータは、拡散制限型の電流測定電気化学式ガスセンサの故障状態を検出するため、および、その出力をリアルタイムで補正するための両方に使用され得る。しかしながら、拡散制限型の電気化学式ガスセンサとは対照的に、毛細管制限型の電気化学式ガスセンサの設計における違いのため、これらのパラメータは、毛細管制限型の電気化学式ガスセンサ（例えば、酸素ポンプタイプのセンサ）の信号を管理および維持する上で、あまり有用ではないことが見出された。

例えば、図４は、図２で検討したセンサと同じＭＰＶ応答を、その周囲環境の出力とともに示している。図４に示されたデータは、図２に示されたデータと同時に得られたものである。図４では、酸素センサ群の平均的な周囲出力を再び菱形（◆）で表す一方、最大ピーク値（ＭＰＶ）を四角（■）で表している。湿度によるＭＰＶの変化は、この酸素センサ群の平均周囲出力の予測因子にはならないことがわかる。図２と図４とを比較すると、ＭＰＶの変化はセンサの重量の変化によって引き起こされていることが分かるが、これは湿度の高い保管環境で生じる水分の増減によるものである。

毛細管制限型の酸素センサの出力や性能は、蒸散またはその他の原因による電解液の損失の結果、変化する。これらの他の故障状態を検出するために、上述した寿命および健全な（作動状態）センサの問い合わせ技術を使用することができる。これらの故障状態は、通常、出力の急激な変化、または、周囲の湿度条件の変化とは相関しない経時的な緩やかな出力変化として現れる。

例えば図５および図６は、非常に乾燥した条件、または、より中程度の湿度条件の下で漏れたセンサの場合に生じる条件にさらされたときの、毛細管制限型の酸素ポンプタイプのセンサの挙動を示している。例えば、このような条件には、２０％未満、１５％未満、または１０％未満の相対湿度にさらされることが含まれ得る。非常に乾燥した状態は、例えば、寒い月や冬の間、特に燃焼炉を介した強制的な空気によって加熱された構造内で経験されることがある。上述したように、拡散制限型の電流測定電気化学式ガスセンサとは異なり、毛細管制限型のセンサは、通常の湿度変化による出力変化を示さない。しかしながら、図５の条件下では、（図５の丸（●）で表される重量変化データで示されるように）研究されたセンサが水性電解液の水分を失って非常に乾燥した状態になり、センサが故障状態になると、（図５の菱形（◆）で表されるデータで示されるように）示された体積％Ｏ_２出力が劇的に上昇する。図６のデータは、図５のデータと同時に観察された、パルス試験のベースラインパラメータの応答を示している。

図６では、センサの表示された体積％Ｏ_２出力が再び菱形（◆）で表され、一方、電子的な問い合わせまたはパルス試験のベースラインパラメータの応答が丸（●）で表示されている。明らかなように、パルス試験のベースラインパラメータは、実質的に、これらのセンサの示された出力の鏡像である。

湿度が変化すると出力が適度に変化し、数値的に容易かつ安全に補正することができる拡散制限型の電流測定電気化学式センサとは異なり、本発明の毛細管制限型の酸素センサは、湿度が適度に変化しても指示出力の変化は比較的小さいが、湿度が大きく変化すると指示出力が非常に大きく変化する。このような大きな変化は、センサ出力を安全に補正することができない故障または作動不能な状態であると考えられる。しかしながら、電子的な問い合わせまたはパルス試験は、このタイプの故障に対するユニークで明確なテストとして機能する。

電子的な問い合わせに関連して測定可能なパラメータのうち、ベースラインパラメータは、ほぼ厳密にセンサ出力を表している。ある状況下では、センサが作動可能であると考えられる場合に、センサ出力を補正するためにベースライン応答を使用してもよい。

毛細管制限型の酸素センサの場合、電子的な問い合わせまたはパルス試験で診断できる第２の故障状態（すなわち、湿度の著しい変化以外に起因する故障状態）は、外部の物理的または化学的変化の結果としてセンサ出力がゆっくりとドリフトすることである。このようなゆっくりとしたドリフトは、例えば、センサが干渉ガス、毒物、阻害剤などにさらされた場合に起こる。毛細管制限型の酸素センサの場合、このような化学的条件の変化は、例えば、作用電極での酸素の電気化学的還元を妨害することによって、または内部参照電極でのドリフトが原因で、ドリフトを引き起こす可能性がある。また、物理的なドリフトの原因は、例えば、埃や水分によって毛細管がゆっくりと閉塞することを含んでもよい。いずれの場合も、これらの状態を診断するために、電子的な問い合わせまたはパルス試験を有利に適用することができる。

多くのガス検出装置は、正常な作動の指標として、清潔な周囲の空気中で、毛細管制限型の酸素センサの出力を使用する。このような方法論は、典型的には「フレッシュエアセットアップ」またはＦＡＳと一般的に称されることを実行することを含む。ＦＡＳの間に、センサの瞬間的な出力と、現代の機器では通常電子的に保存されている基準値とを比較する。センサの瞬間的な出力が基準値のプリセット範囲内であれば、計器の表示出力は２０．８体積％の酸素を表示するように調整される。

図７は、ゆっくりとした単調なドリフトを受けているセンサ群の挙動を示している。ドリフトの大きさは、成功したＦＡＳの限界がどのセットアップ中でも超えないようなものである。これらは、図７の下側またはｘ軸のRun #で示されている。図７のｘ軸は、経過時間を示すものではなく、連続するＦＡＳ操作の序列カウントのみを示す。調査したセンサの実際のまたは表示された体積％Ｏ_２出力に対応するデータポイントは、菱形（◆）で表され、左側の軸に対してプロットされる。図７に示されているように、調査対象となったセンサの実際の出力または指示された出力は、連続してＦＡＳ操作を行うたびに減少した。連続したＦＡＳ操作の指示結果は、図７では四角（■）で表されており、左側の軸に対してプロットされている。また、ＦＡＳ作動の直前または直後に測定されたパルス試験のベースラインパラメータデータは、右軸に対してプロットされた三角形（▲）で表されている。図７から明らかなように、パルス試験から算出されたベースラインパラメータは、ＦＡＳ作動で検出されない程度の小さなドリフトであっても、調査対象のセンサの実際のドリフトを反映している。

従って、電子的な問い合わせまたはパルス試験（作用電極と対電極との間に電流を流すために電気信号を短時間または「パルス」で適用する）は、この種のセンサが拡散制限型のセンサとは全く異なる挙動を示すにもかかわらず、酸素センサなどの毛細管制限型のセンサに非常に有効に適用できることが明らかである。毛細管制限型の酸素センサの電子的問い合わせまたはパルス試験の代表的な実施形態は、例えば以下を含み得る。（ｉ）センサが清浄な周囲空気（すなわち、２０．８体積％の酸素を有する空気）中にあることを保証すること（ｉｉ）電子的問合せが行われる間に問合せモードを開始し、ここで試験の実際のパラメータ（大きさ、持続時間、等々）が特定の用途について決定されること（ｉｉｉ）用途によって決定される適切なサンプル速度で、電子的問い合わせ中のセンサの応答を収集すること（ｉｖ）適切なパラメータ、特にベースライン応答を計算すること（ｖ）任意の電子的な問い合わせの結果と、所定の限界値、および／または、特定のセンサで実行された以前の電子的な問い合わせの履歴とを比較すること（ｖｉ）センサの動作状態または健全性を判断すること、および（ｖｉｉ）故障状態をユーザに警告すること、または、故障状態が存在しないと判断した場合、電流の電子的問い合わせの結果を保存し、機器をその動作モードまたは標的ガス検出モードに戻すこと。

本発明のいくつかの実施形態では、ベースライン出力が測定され（例えば、現在のパルスを適用する前、またはそのようなパルスの後にベースラインまたはゼロ分析物出力に戻った後）、以前に測定された（例えば、較正された）値と比較される。較正された値は、例えば、最後のガス較正時（すなわち、機器の製造時およびその後のガス較正時）に決定されてもよい。いくつかの実施形態において、較正値（および／または他の以前に決定された値）と測定値との比較は、センサ状態の判定を提供するだけでなく、センサ出力を調整する（例えば、センサ感度を補正する）ための手段を提供する。本発明のシステム、デバイス、および／または方法のいくつかの代表的な実施形態では、本明細書に記載されているように（分析対象ガスまたはそのための疑似物質を適用せずに）、センサの機能、接続の内部的な電子的チェックまたは問い合わせが行われてもよく、例えば、米国特許第7,413,645号明細書（その開示内容は参照により本明細書に組み込まれる）に記載されているように、センサ出力が補正されてもよい。センサ出力に適用される補正係数は、例えば、数学的形式を有していてもよい。

上記の式において、Ｓｃはセンサの補正感度であり、Ｒ_０およびＳ_０は、それぞれ応答関数および感度の初期値であり、Ｒ_ｉおよびＳ_ｉは、それぞれ実験中の任意の時点での応答関数および感度であり、aは調整可能なパラメータであった。なお、この式の形式が唯一ではなく、他の補正関数を用いてもよい。この補正係数を実験データに適用することで、実験の全過程において機器の指示された応答が規定の範囲に戻り、それによって、既知の標準校正ガスに対してセンサを再校正する必要がなくなった。

上述の説明および添付の図面は、現時点での多数の代表的な実施形態を示している。もちろん、様々な変更、追加、および代替設計が、前述の説明ではなく以下の特許請求の範囲によって示される本発明の範囲から逸脱することなく、前述の教示に照らして当業者にとって明らかである。特許請求の範囲の意味と均等の範囲内に入るすべての変更と変形は、その範囲内に包含されるものとする。

Claims (22)

1. 分析対象ガスに反応する毛細管制限型の電流測定電気化学式ガスセンサを含むガス検出装置を操作する方法であって、
   前記ガスセンサからの信号が前記ガスセンサによって測定された前記分析対象ガスの濃度を示す検出モードと、前記ガスセンサに電気信号を適用することによって前記ガスセンサの機能をテストするために前記ガスセンサに電子的な問い合わせを行う問い合わせモードであって、既知濃度の前記分析対象ガスまたはその模擬ガスを容器から前記センサに適用することなく、作用電極および対電極にイオン接触する電解液を介して、前記ガスセンサの作用電極と前記ガスセンサの対電極との間に非ファラデー電流を発生させる問い合わせモードと、を含む、ガスセンサを作動させる工程と、
   周期的に前記問い合わせモードに移行する工程と、
   前記問い合わせモード中にガスセンサの出力パラメータを測定する工程と、
   測定された前記パラメータと以前の問い合わせモードで以前に測定された１つまたは複数のパラメータとを比較する工程と、
   測定された前記パラメータと以前に測定された１つまたは複数の前記パラメータとの比較から作動状態を判断する工程と、
   前記作動状態が既定の範囲内にあると判断された場合に、前記ガスセンサを前記検出モードに戻す工程と、を備える方法。
2. 前記ガスセンサが酸素センサである、請求項１に記載の方法。
3. 測定された前記パラメータは、前記ガスセンサに電気信号を適用する前に測定された前記センサのパラメータのベースライン出力である、請求項２に記載の方法。
4. 測定された前記パラメータが既定の範囲外であると判断された場合、前記ガスセンサが故障状態であると判定される、請求項２に記載の方法。
5. 前記ガスセンサが故障状態であると判定された場合に、警告を提供することをさらに含む、請求項４の方法。
6. 感度を調整するためにベースライン出力における変化を使用する、請求項３に記載の方法。
7. 前記ガスセンサが故障状態であると判定された場合に、警告を提供することをさらに含む、請求項６の方法。
8. 前記問い合わせモード中に少なくとも１つの他のパラメータを測定する、請求項３の方法。
9. 前記少なくとも１つの他のパラメータが、最大ピーク値、曲線下面積、最小ピーク値、ピーク－ピーク値、および、反転曲線下面積からなる群から選択される、請求項８に記載の方法。
10. 前記ガスセンサの出力を基準値と比較し、前記ガスセンサの前記出力が前記基準値の既定の範囲内にある場合、前記ガスセンサの前記出力を２０．８体積％の酸素に相当するように調整するという、新鮮な空気のセットアップを実行することをさらに含む、請求項３に記載の方法。
11. 分析対象ガスに反応する電気化学式ガスセンサであって、
    キャピラリ入口を有する筺体と、
    前記筺体内の電解液と、
    前記電解液とイオン接触する作用電極と、
    前記電解液とイオン接触する対電極と、
    前記作用電極および前記対電極と作動可能に接続された電子回路と、を備え、
    前記ガスセンサからの信号が、前記ガスセンサによって測定された前記分析対象ガスの濃度を示す検出モードと、既知濃度の前記分析対象ガスまたはその模擬ガスを容器から前記センサに送ることなく、前記ガスセンサに電気信号を適用することによって、前記電解液を介して前記作用電極と前記対電極との間に非ファラデーの電流を発生させて、前記ガスセンサの機能をテストするためにガスセンサに電子的な問い合わせを行う問い合わせモードとで、前記ガスセンサを作動させるように、前記電子回路が構成され、
    前記電子回路は、周期的に前記問い合わせモードに移行し、前記問い合わせモード中にガスセンサ出力のパラメータを測定し、測定された前記パラメータと以前の問い合わせモードで以前に測定された１つまたは複数パラメータとを比較し、測定された前記パラメータと以前に測定された１つまたは複数の前記パラメータとの比較から作動状態を判断し、前記作動状態が既定の範囲内にあると判断された場合に、前記ガスセンサを前記検出モードに戻すようにさらに構成された、電気化学式ガスセンサ。
12. 前記ガスセンサが酸素センサである、請求項１１記載のガスセンサ。
13. 測定された前記パラメータは、前記ガスセンサに電気信号を適用する前に測定された前記センサのパラメータのベースライン出力である、請求項１１記載のガスセンサ。
14. 測定された前記パラメータが既定の範囲外であると判断された場合、前記電子回路によって故障状態が判定される、請求項１１記載のガスセンサ。
15. 前記ガスセンサが故障状態であると判定された場合に警告を提供するインターフェースシステムをさらに備える、請求項１４記載のガスセンサ。
16. 測定された前記ベースラインが既定の範囲外であると判断された場合、前記ガスセンサが故障状態であると前記電子回路によって判定される、請求項１３に記載のガスセンサ。
17. 前記問い合わせモード中に少なくとも１つの他のパラメータが測定される、請求項１３記載のガスセンサ。
18. 前記少なくとも１つの他のパラメータが、最大ピーク値、曲線下面積、最小ピーク値、ピーク－ピーク値、および、反転曲線下面積からなる群から選択される、請求項１７記載のガスセンサ。
19. 前記電子回路は、前記ガスセンサの出力と基準値とを比較し、前記ガスセンサの前記出力が前記基準値の既定の範囲内にある場合、前記ガスセンサの前記出力を２０．８体積％の酸素に相当するように調整するという、新鮮な空気のセットアップを実行するようにさらに構成されている、請求項１３に記載のガスセンサ。
20. 前記電子回路は、ベースライン出力の変化に応答して感度を調整するようにさらに構成されている、請求項１１に記載のガスセンサ。
21. 分析対象ガスに反応する毛細管制限型の電流測定電気化学式ガスセンサを有するガス検出装置を操作する方法であって、
    前記ガスセンサのベースライン出力を周期的に測定するステップと、
    測定された前記ベースライン出力と、以前の１つまたは複数のベースライン出力値とを比較するステップと、
    測定された前記ベースライン出力と、以前に測定された１つまたは複数の前記ベースライン出力値との比較から作動状態を判断するステップと、を備える方法。
22. 以前に測定された１つまたは複数の前記ベースライン出力値と比較した、測定された前記ベースライン出力における変化を、感度を調整するために使用する、請求項２１に記載の方法。

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