JP4671253B2 - 可燃性ガス濃度測定装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、自動車、船舶、飛行機等の内燃機関に用いるガス濃度測定装置に関する。特には、燃焼ガス中の可燃性ガス濃度を検出するための可燃性ガス濃度測定装置に関する。内燃機関の燃焼排気ガスに含まれる可燃性ガス（炭化水素ガス等）の濃度を測定することができる。特に、リーンバーンエンジン等に好適に利用される。
【０００２】
【従来の技術】
近年、内燃機関の排ガス規制の強化の要請が高まっている。これまで、内燃機関において燃焼しきれなかった燃焼排気ガスに含まれる可燃性ガスの燃焼をできる限り進行させるために、燃焼排気ガス中に含まれる酸素の割合を測定し、この酸素の割合を最適化することにより燃焼及び排気ガスの燃焼効率を最適化してきた。
【０００３】
しかし、近年、更なる排気ガス規制の強化から、排ガスの清浄化を促進するために、排ガスに含まれる可燃性ガス濃度を直接的に検出し、エンジン制御や浄化触媒のコントロールを行うためのガス濃度測定装置の開発が検討されている。
【０００４】
排ガスに含まれる可燃性ガス濃度を、酸素イオン導伝体上に形成した基準電極と検知電極の間に発生する起電力に基づいて検出するセンサが、特表平８−５１０８号公報、特開平１０−８２７６３号公報に開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
近年、燃料を大幅に節減できるためにリーンバーンエンジンが急速に普及しつつある。しかし、このエンジンは従来のエンジンに比べて酸素濃度の変化が大きく、リーン条件では酸素濃度が特に高くなる。このような酸素が高い濃度で存在し、酸素濃度の変化が大きい混合気体中において、これらの影響を受けずに可燃性ガスの濃度を測定することは非常に困難である。
【０００６】
従来の酸素イオン導伝体を利用したセンサから得られるガス濃度に対応する出力信号（センサ出力Ｓm）は、ガス濃度に対する直線性が乏しい、または、被検ガスに含まれる酸素濃度に対して依存性が大きい、といった問題がある。その結果、ガス成分がまったく存在しないにもかかわらず出力信号（誤差出力Ｓz）が発生したり、酸素濃度が高い程にセンサの感度が減少したりするため、真のガス濃度（Ｃm）に対応する正確な出力信号を得ることが困難であった。
【０００７】
また、これまで触媒コンバーターが装着されていなかったディーゼルエンジンにおいても窒素酸化物の排出量が多いため触媒の装着が望まれるようになっている。これら窒素酸化物の含有量が多い排気ガスを浄化するシステムとして図１６に示すような排気管（２３）に装着された触媒コンバーター（２４）の後のセンサ素子（３０）で測定したデータをフィードバックして排気ガスの燃焼効率を最適化するように燃料等をインジェクタ（２９）によりディーゼルエンジン（２２）へ噴射するシステムや、図１７に示すように触媒コンバーター（２４）の前後に可燃性ガス濃度を測定するセンサ素子（３１、３２）を配置したり、図１８に示すような触媒コンバーター（２４）自身の劣化を感知するための可燃性ガス濃度を測定するセンサ素子（３３）を配置したシステムが検討されている。しかし、このようなシステムに使用できる混合気体中から所望の可燃性ガスの濃度を選択的に測定できる装置は知られていない。
【０００８】
本発明は上記課題を解決するものであり、高濃度で存在する酸素、酸素の濃度変化、被測定ガス温度等による影響を受け難く、混合ガス中から所望の可燃性ガス又は炭化水素ガスを選択的に測定することができ、更には、安定して、鋭敏に且つ正確にこれらを測定できるガス濃度測定装置を提供することを目的とする。被検ガスの酸素濃度に左右されることなく、目的とする所定のガス濃度に対応する正確な出力信号を得ることが可能なガス濃度測定装置を提供することができる。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、被検ガスの酸素濃度に関する情報に基づいて、センサから得られるガス濃度に対応する出力信号（センサ出力Ｓm）を補正することで、真のガス濃度に対応する正確な情報を得ることが可能な可燃性ガス濃度測定装置である。より具体的には、被検ガス中の酸素濃度が既知であるか、他に酸素濃度検出部を設けるか、或いは、外部から被検ガス中の酸素濃度の情報を得ることにより、センサ素子からのガス濃度に対応する出力信号（センサ出力Ｓm）の酸素濃度に起因する誤差を補正し、かつ、最小限のマップデータや補正式を用いるのみで高精度なガス濃度の補正、測定が具体的な可能な可燃性ガス濃度測定装置である。
【００１０】
具体的な一態様としては、図３に示すＳ１からＳ５のステップを行う手段を有するガス濃度測定装置を例示することができる。
【００１１】
Ｓ１のステップは、酸素濃度検出手段から得た被検ガスの酸素濃度（Ｏc）を検出するステップを行う。Ｓ２のステップは、ガス濃度検出手段から得た被検ガス中のガス濃度に対応するセンサ出力（Ｓm）を検出するステップを行う。なお、このＳ１のステップとＳ２のステップは、順序が逆転していてもよい。また、同時に進行してもよい。ようするに、これらのステップから得られる情報（Ｏc及びＳm）が、続くＳ３のステップまでに得られていればよい。
【００１２】
Ｓ３のステップは、酸素濃度（Ｏc）とセンサ出力（Ｓm）とに基づいて、対応する換算ガス濃度（Ｃc）を求めるステップを行う。被検ガス中のガス濃度に対応するセンサ出力（Ｓm）自体は、酸素濃度（Ｏc）の影響による誤差出力（Ｓz）を含んだ出力になっているため、目的とする所定のガス濃度（Ｃm）自体を表わす出力ではない。そこで、酸素濃度（Ｏc）の影響による誤差出力（Ｓz）分をセンサ出力（Ｓm）から除いた出力であるセンサ感度出力（Ｓs）を求め、それに対応するガス濃度に換算して、換算ガス濃度（Ｃc）を求める必要がある。
【００１３】
Ｓ４のステップは、被検ガス中の酸素濃度（Ｏc）に対応する補正係数（Ｋi）を得るステップを行う。この補正係数（Ｋi）は、通常、酸素濃度の関数として得られる。このＳ４のステップは、Ｓ１のステップ以降であれば、Ｓ２、Ｓ３のステップと前後しても、同時に進行してもよい。ようするに、これらのステップから得られる情報（Ｋi及びＣc）が、続くＳ５のステップまでに得られていればよい。
【００１４】
Ｓ５のステップは、被検ガス中の酸素濃度（Ｏc）に対応する補正係数（Ｋi）を用いて、酸素濃度（Ｏc）の影響による誤差出力（Ｓz）分をセンサ出力（Ｓm）から除いた出力であるセンサ感度出力（Ｓs）をガス濃度に換算した換算ガス濃度（Ｃc）を補正して、目的とする所定のガス濃度（Ｃm）を得るステップを行う。酸素濃度の変化による誤差の影響を補正することで、目的とする所定のガス濃度（Ｃm）自体を得ることができる。
【００１５】
以下に、上記手段の各ステップに含まれる構成要件について順次説明する。
【００１６】
本発明における酸素濃度検出手段とは、被検ガスの酸素濃度（Ｏc）に関する情報を、その酸素濃度に対応する電気的信号、機械的信号等として供給する手段をいう。被検ガスの酸素濃度（Ｏc）が既知で一定の場合は、その一定値に対応する信号を供給し、被検ガスの酸素濃度（Ｏc）が環境に応じて逐次変化する場合は、連続的あるいは断続的に検出した値に対応する信号を供給するものであればよい。
【００１７】
被検ガスの酸素濃度（Ｏc）に対応する信号の供給方法としては、ケーブルを介して電気的信号を供給する方法、赤外線や無線を用いて信号を供給する方法、油圧やモーターなどの駆動手段を用いて機械的に供給する方法などを用いることができるが、これらに限定されるものではない。マイクロプロセッサを用いた演算処理を高速、円滑に行うためには、電気的信号として供給するのがよい。
【００１８】
被検ガスの酸素濃度（Ｏc）に関する情報は、ガス濃度測定装置自体に酸素濃度を検出するためのセンサ素子を設けて得るのが良い。ガス濃度を測定する位置と酸素濃度を測定する位置とが近いため、より現実的なガス濃度と酸素濃度に基づいた補正が可能となるからである。
【００１９】
ガス濃度を測定する位置と酸素濃度を測定する位置とが離れていてもガス濃度と酸素濃度に基づいた補正が可能な場合は、酸素濃度を検出するためのセンサ素子をガス濃度測定装置の外部に設けて、そこから酸素濃度に関する情報を得るのが良い。ガス濃度を検出するためのセンサ素子と酸素濃度を検出するためのセンサ素子とを別体化することで、それぞれに高性能で安価な素子を適宜選択してガス濃度測定装置を組み上げることができるため、製造コストの低減が可能となるからである。
【００２０】
具体的には、酸素濃度データ（３０９、３１１）をエンジン制御用の全領域酸素センサ（ＵＥＧＯセンサ）（２８）から得て、可燃性ガス濃度を測定するためのセンサ素子（２７）からの信号（３１０）をＣＰＵ（２６）によって補正し、ＥＣＵ（２５）にフィードバックしてリーンバーンエンジン（２２０）を制御する場合（図１４）や、ほぼ一定の条件下で使用される発電用エンジン（２２１）のように、運転条件（回転数、燃料消費量等）のデータ（３１３、３１４）と排気ガス中の酸素濃度の関係を測定して予めマップを作製してＣＰＵ（２６）のメモリに記憶させておいて、このマップから酸素濃度を既知データとして得て、可燃性ガス濃度を測定するためのセンサ素子（２７）からの信号（３１５）をＣＰＵ（２６）によって補正する場合（図１５）を例示することができる。他には、酸素濃度分析計から得られる酸素濃度データや、起電力型の酸素センサから得られる酸素濃度データを用いることができる。
【００２１】
酸素濃度検出手段としては、ジルコニア系焼結体（例：イットリア安定型ジルコニア、以下、「ＹＳＺ」と称する。）、ＬａＧａＯ3系焼結体等の酸素イオン導電性を有する固体電解質を利用した酸素センサを用いるのがよい。
その形状は特には限定されないが、有底円筒型、板型、積層板型、薄膜型等適宜選択して使用することができる。
【００２２】
本発明におけるガス濃度検出手段とは、被検ガスのガス濃度に関する情報を、そのガス濃度に対応する電気的信号、機械的信号等として供給する手段をいう。被検ガスのガス濃度に対応する信号の供給方法としては、ケーブルを介して電気的信号を供給する方法、赤外線や無線を用いて信号を供給する方法、油圧やモーターなどの駆動手段を用いて機械的に供給する方法などを用いることができるが、これらに限定されるものではない。マイクロプロセッサを用いた演算処理を高速、円滑に行うためには、電気的信号として供給するのがよい。
【００２３】
前述したように、酸素イオン導伝体を利用したガス濃度検出手段自体から得られるガス濃度に対応する出力信号は、誤差出力（Ｓz）の影響を受けたり、感度が減少した出力であるため、目的とする所定のガス濃度（Ｃm）に対応する正確な出力信号とはいえない可能性が高い。
【００２４】
これは、固体電解質と電極と気相とが構成するいわゆる「三相界面」における可燃性ガス成分の気相燃焼による誤差が原因と言われている。つまり、酸素濃度が高い程、可燃性ガスの気相燃焼の割合も大きくなった結果、「三相界面」に到達する可燃性ガスの割合も少なり、センサ感度が低下するのである。
【００２５】
目的とする所定のガス濃度（Ｃm）に対応する正確な出力信号を得るためには、酸素濃度検出手段の検出値である酸素濃度（Ｏc）とガス濃度検出手段の検出値であるセンサ出力（Ｓm）とに基づいて得られる換算ガス濃度（Ｃc）を、酸素濃度に対応する補正係数（Ｋi）を用いて補正して、目的とする所定のガス濃度（Ｃm）を得るステップを行う補正手段を用いるとよい。酸素濃度（Ｏc）の影響による誤差出力（Ｓz）分をセンサ出力（Ｓm）から差し引いた出力であるセンサ感度出力（Ｓs）を濃度換算した換算ガス濃度（Ｃc）と目的とする所定のガス濃度（Ｃm）の間には、各酸素濃度のレベル毎に、所定の比例関係が成立するからである。酸素濃度に起因して発生する誤差を、酸素濃度に対応する補正係数（Ｋi）を用いて補正するため、マイクロプロセッサを用いた演算処理が容易に行える利点がある。
【００２６】
補正手段としては、図４に示すような、以下の（Ｓ１２）、（Ｓ１４）、（Ｓ１５）、（Ｓ１６）、（Ｓ１７）のステップを行うものであるとよい。酸素濃度に起因して発生する誤差を補正する作業が、コンピュータを用いた演算処理により容易に行える利点があるからである。
以下に、補正手段について説明する。
【００２７】
酸素濃度検出手段から取得された酸素濃度（Ｏc）の検出値に基づいて、被検ガスのガス成分が実質的に０の場合における誤差出力（Ｓz）を得るステップ（Ｓ１２）を行う誤差出力選択手段を含むこと。
【００２８】
予め、可燃性ガスを含まない雰囲気の酸素濃度を変化させながら、酸素濃度検出手段からの酸素濃度（Ｏc）の検出値である誤差出力（Ｓz）を測定し、酸素濃度（Ｏc）と誤差出力（Ｓz）の関係を求めておけば、必要時にその測定条件に対応する値を「選択」し、その値に基づいて補正すればよいため、補正作業やシステムの構成が簡単、容易になる利点がある。
【００２９】
ガス濃度測定装置自体に、ガス成分と酸素とを分離する分離膜等の分離手段が備え付けられている場合や、ガス成分と酸素濃度とを各々独立に分離して測定する手段（例：センサ素子に可燃性ガスには反応しない電極を設けて、ガス成分と酸素濃度とを同時に測定。）が備え付けられている場合には、酸素濃度（Ｏc）と誤差出力（Ｓz）の関係は、必要に応じてその都度求めるのがよい。温度、気圧等の測定条件が同一なので、よりリアルタイムな情報を供給できるからである。
【００３０】
ところで、酸素濃度（Ｏc）と誤差出力（Ｓz）の関係は、用いる酸素濃度検出手段に固有のものである場合が多い。したがって、上記（Ｓ１２）のステップを行う誤差出力選択手段は、以下の（Ｓ１２０）のステップを行う誤差出力選択手段のように、関数式又はマップを作製してガス濃度測定装置のメモリに予め記憶して用いるのがよい。
【００３１】
酸素濃度（Ｏc）とそれに対応する誤差出力（Ｓz）との関係を示す関数式又はマップを作製して予め記憶しておき、その関数式又はマップに基づいて、酸素濃度検出手段により取得された前記酸素濃度（Ｏc）の検出値に対応する前記誤差出力（Ｓz）を得るステップ（Ｓ１２０）を行う誤差出力選択手段を含むこと。
【００３２】
酸素濃度（Ｏc）とそれに対応する誤差出力（Ｓz）の関係を必要な都度求める場合よりも、このように、関数式又はマップを作製して予め記憶しておき、必要時に測定条件にあった値を「選択」する方が、ＣＰＵやメモリへの負担の軽減や演算処理の高速化が図れるからである。補正作業をコンピュータを用いた演算処理により行う際に便利である。
【００３３】
酸素濃度（Ｏc）とそれに対応する誤差出力（Ｓz）の関係式は、理論上ネルンストの式に従うため、以下の数式１に示す対数関数に近似して扱うことができる。なお、ここにいう（ａ）、（ｂ）は所定の係数を示し、（Ｌｎ）は自然対数を示す。素子の特性に応じて関係式を求めてメモリに記憶しておくことで、被検ガス中の酸素濃度が急激に変化しても、精度の高い測定が可能となる。
【００３４】
【数１】
（Ｓz）＝（ａ）×（Ｌｎ）［（Ｏc）］＋（ｂ）
【００３５】
より正確にガス濃度に対応する出力信号を得るには、以下の（Ｓ１４）に示すステップを行うセンサ感度出力算出手段により、誤差出力選択手段から得られた誤差出力（Ｓz）を減じて算出ずる必要がある。
【００３６】
ガス濃度検出手段から取得されたセンサ出力（Ｓm）から誤差出力（Ｓz）を減じてセンサ感度出力（Ｓs）を得るステップ（Ｓ１４）を行うセンサ感度出力算出手段を含むこと。
【００３７】
本発明におけるセンサ感度出力算出手段とは、被検ガスのガス濃度に対応して、ガス濃度検出手段から取得された電気的信号、機械的信号等であるセンサ出力（Ｓm）から、予め酸素濃度に依存する誤差である誤差出力（Ｓz）を減じて、本来的なセンサ感度に対応するセンサ感度出力（Ｓs）を算出する手段である。
【００３８】
センサ出力（Ｓm）から誤差出力（Ｓz）を減じてセンサ感度出力（Ｓs）を算出する演算処理を行うのみであるから、この演算処理を行う際にＣＰＵやメモリに過大な負担をかけることはない利点がある。
【００３９】
次いで、上記（Ｓ１４）のステップを行うセンサ感度出力算出手段から得られた、本来的なセンサ感度に対応するセンサ感度出力（Ｓs）を、ガス濃度に換算する必要がある。以下の（Ｓ１５）のステップを含むガス濃度換算手段を用いて、対応する換算ガス濃度（Ｃc）に変換するのがよい。
【００４０】
センサ感度出力（Ｓs）に基づいて換算ガス濃度（Ｃc）を得るステップ（Ｓ１５）を行うガス濃度換算手段を含むこと。
【００４１】
本発明におけるガス濃度換算手段とは、センサ感度出力算出手段から得られた電気的信号、機械的信号等であるセンサ感度出力（Ｓs）を、それに対応するガス濃度である換算ガス濃度（Ｃc）に換算する手段をいう。酸素濃度に依存する誤差出力（Ｓz）を除いてあるため、より目的とする所定のガス濃度（Ｃm）に近い濃度値を得ることができる。
【００４２】
ところで、センサ感度出力（Ｓs）と換算ガス濃度（Ｃc）の関係は、用いるガス濃度検出手段に固有のものである場合が多い。したがって、上記ガス濃度換算手段は、以下の（Ｓ１５０）のステップを行うガス濃度換算手段のように、関数式又はマップを作製してガス濃度測定装置のメモリに予め記憶して用いるのがよい。
【００４３】
所定の酸素濃度（Ｏc）におけるガス濃度とそれに対応するセンサ感度出力（Ｓs）との関係を示す関数式又はマップを作製して予め記憶しておき、その関数式又はマップに基づいて、取得された前記センサ感度出力（Ｓs）の検出値に対応する前記換算ガス濃度（Ｃc）を得るステップ（Ｓ１５０）を行うガス濃度換算手段を含むこと。
【００４４】
センサ感度出力（Ｓs）とそれに対応する換算ガス濃度（Ｃc）の関係を必要な都度求める場合よりも、このように、関数式又はマップを作製して予め記憶しておき、必要時にセンサ感度出力（Ｓs）にあった値を選択して「換算」する方が、ＣＰＵやメモリへの負担の軽減や演算処理の高速化が図れるからである。換算作業をコンピュータを用いた演算処理により行う際に便利である。
【００４５】
センサ感度出力（Ｓs）とそれに対応する換算ガス濃度（Ｃc）の関係式は、固体電解質を用いた素子を用いた場合、経験上、以下の数式２に示すようなセンサ感度出力（Ｓs）の３次式に近似して扱うことができる。なお、ここにいう（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）は所定の係数を示す。素子の特性に応じて関係式を求めてメモリに記憶しておくことで、被検ガス中の酸素濃度が急激に変化しても、精度の高い測定が可能となる。
【００４６】
【数２】
（Ｃc）＝（ｃ）×［（Ｓs）］3＋（ｄ）×［（Ｓs）］2＋（ｅ）×［（Ｓs）］
【００４７】
ここで得られた換算ガス濃度（Ｃc）は、まだ目的とする所定のガス濃度（Ｃm）を表わすものではない。実際には、被検ガスの酸素濃度のレベル毎に対応する所定量の誤差を含有している。そこで、この被検ガスの酸素濃度のレベル毎に所定量の誤差を補正するために、（Ｓ１６）のステップを行う補正係数算出手段及び以下の（Ｓ１７）のステップを行うガス濃度補正手段が必要となる。
【００４８】
酸素濃度（Ｏc）の検出値に基づいて、対応する補正係数（Ｋi）を得るステップ（Ｓ１６）を行う補正係数算出手段を含むこと。
【００４９】
換算ガス濃度（Ｃc）に、酸素濃度に対応する補正係数（Ｋi）を乗じて、目的とする所定のガス濃度（Ｃm）を得るステップ（Ｓ１７）を行うガス濃度補正手段を含むこと。
【００５０】
換算ガス濃度（Ｃc）に含まれる誤差は、目的とする所定のガス濃度（Ｃm）に対して絶対値が一致していない程度の、相対的な誤差にまで抑えられている。しかし、この相対的な誤差を補正しなければ、目的とする所定のガス濃度（Ｃm）を得ることはできない。ここでは、この相対的な誤差を補正する手段として、酸素濃度に対応する補正係数（Ｋi）を用いる。
【００５１】
補正係数（Ｋi）は酸素濃度に対応して定まるものであるため、この補正係数（Ｋi）を用いれば、被検ガス中の酸素濃度が急激に変化しても、精度の高い補正が可能となる。補正に関する演算処理も、基本的には、換算ガス濃度（Ｃc）に補正係数（Ｋi）を乗ずるのみで極めて簡単な処理で済むため、演算システムを簡略に構成することができる。より好ましくは、以下の（Ｓ１６０）のステップを行う補正係数算出手段を用いるのがよい。
【００５２】
所定の酸素濃度（Ｏc）に対応する補正係数（Ｋi）との関係を示す関数式又はマップを作製して予め記憶しておき、その関数式又はマップに基づいて対応する補正係数（Ｋi）を求めるステップ（Ｓ１６０）を行う補正係数算出手段を含むこと。
【００５３】
酸素濃度（Ｏc）とそれに対応する補正係数（Ｋi）の関係を必要な都度求める場合よりも、このように、関数式又はマップを作製して予め記憶しておき、必要時に酸素濃度（Ｏc）にあった値を選択して「補正」する方が、ＣＰＵやメモリへの負担の軽減や演算処理の高速化が図れるからである。補正作業をコンピュータを用いた演算処理により行う際に便利である。
【００５４】
酸素濃度（Ｏc）とそれに対応する補正係数（Ｋi）の関係式は、固体電解質を用いた素子を用いた場合、経験上、以下の数式３に示すような酸素濃度（Ｏc）の２次式に近似して扱うことができる。なお、ここにいう（ｆ）、（ｇ）、（ｈ）は所定の係数を示す。素子の特性に応じて関係式を求めてメモリに記憶しておくことで、被検ガス中の酸素濃度が急激に変化しても、精度の高い補正が可能となる。
【００５５】
【数３】
（Ｋi）＝（ｆ）×［（Ｏc）］2＋（ｇ）×［（Ｏc）］＋（ｈ）
【００５６】
このガス濃度換算手段は、以下の（Ｓ１６１）のステップを行う補正係数算出手段により補正係数（Ｋi）を求め、かつ、関数式又はマップを作製してガス濃度測定装置のメモリに予め記憶して用いるのがよい。補正作業をコンピュータを用いた演算処理により行う際に便利だからである。
【００５７】
所定の酸素濃度（Ｏc）に対応する換算ガス濃度（Ｃc）とそれに対応するガス濃度との関係をプロットし、各酸素濃度毎に切片を０とする直線近似処理を行って得られた傾き（Δ）の逆数を補正係数（Ｋi）として、酸素濃度（Ｏc）に対応する補正係数（Ｋi）との関係を示す関係式又はマップを作製して予め記憶しておき、その関数式又はマップに基づいて対応する補正係数（Ｋi）を求めるステップ（Ｓ１６１）を行う補正係数算出手段を含むこと。
【００５８】
酸素濃度（Ｏc）に対応する補正係数（Ｋi）との関係を示す関係式又はマップは、以下のように作製する。まず、所定の酸素濃度（Ｏc）に対応する換算ガス濃度（Ｃc）を縦軸に、それに対応するガス濃度を横軸にとってプロットする。このプロットは、各酸素濃度毎にプロットする。得られたプロットは、各酸素濃度毎にそれら各酸素濃度に対応する種々の傾きを有する。
【００５９】
次いで、得られたプロットに対して、各酸素濃度毎に切片を０とする直線近似処理を行う。直線近似処理には、最小二乗法を用いるのがよい。この近似直線の傾き（Δ）を求め、その傾きの逆数（１／Δ）を補正係数（Ｋi）として求める。そして、酸素濃度（Ｏc）と、それに対応して得られた補正係数（Ｋi）との関係を示す関係式又はマップを作製する。
【００６０】
補正係数（Ｋi）は酸素濃度に対応して定まるものであるため、この補正係数（Ｋi）を用いれば、被検ガス中の酸素濃度が急激に変化しても、精度の高い補正が可能となる。補正に関する演算処理も、基本的には、換算ガス濃度（Ｃc）に補正係数（Ｋi）を乗ずるのみで極めて簡単な処理で済むため、演算システムを簡略に構成することができる。
【００６１】
この関係式又はマップは、必要な都度求めるよりも、関数式又はマップを作製して予め記憶しておき、必要時に酸素濃度（Ｏc）にあった補正係数（Ｋi）を選択して「補正」する方が、ＣＰＵやメモリへの負担の軽減や演算処理の高速化が図れる利点がある。換算作業をコンピュータを用いた演算処理により行う際に便利である。
【００６２】
このようにして得られた補正係数（Ｋi）を用いて目的とする所定のガス濃度（Ｃm）を得るには、以下の（Ｓ１７）のステップを行うガス濃度補正手段を用いるのがよい。
【００６３】
換算ガス濃度（Ｃc）に補正係数（Ｋi）を乗じて、目的とする所定のガス濃度（Ｃm）を得るステップ（Ｓ１７）を行うガス濃度補正手段を含むこと。
【００６４】
酸素濃度に対応して定まる補正係数（Ｋi）を用いるため、被検ガス中の酸素濃度が急激に変化しても、精度の高い補正が可能となる。補正に関する演算処理も、基本的には、換算ガス濃度（Ｃc）に補正係数（Ｋi）を乗ずるのみで極めて簡単な処理で済むため、演算システムを簡略に構成することができる。
【００６５】
以下に本発明の具体的な実施の態様を例示して説明する。
図１は、本発明のガス濃度測定装置の一態様を示すもので、いわゆる筒型センサ素子を用いた例である。酸素イオン導電性を有する固体電解質（２）と、固体電解質に形成された基準電極（３）及び検知電極（６）と、固体電解質を加熱するヒータ素子（７）とを備えるセンサ素子（１）を用いたガス濃度測定装置（２００）である。センサ素子の形状は特に制限されないが、図１のように、筒型のセンサ素子を用いるのがよい。機械的強度に優れ、信頼性が高いからである。
【００６６】
ガス濃度検出手段（１、８）は、センサ素子（１）の基準電極（３）と検知電極（６）の間に発生する起電力をセンサ出力測定装置兼内部抵抗測定装置（８）で測定して、これに基づいて被検ガスのガス濃度を検出する。得られたガス濃度に対応する信号（３０１）と酸素濃度測定装置（９）からの酸素濃度（Ｏc）に対応する信号（３０２）とをＣＰＵ（１１）に送り、前述した補正手段を用いて補正演算処理することで、所望のガス濃度を示す信号（３００）を得る。ここでは、ＣＰＵ（１１）にメモリされたマップや関数式を用いて一連の補正処理を行っているため、ガス濃度換算手段（１１）と補正係数算出手段（１１）と補正手段（１１）とが同じＣＰＵ（１１）として図示されている。
【００６７】
センサ素子（１）にはヒータ素子（７）がついており、ヒータ制御装置（１０）により、センサ素子の動作温度が一定になるように調整して、固体電解質の酸素イオン伝導性を一定に保っている。具体的には、以下のように調整している。
【００６８】
まず、センサ素子（１）の基準電極（３）と検知電極（６）の間に一定間隔で瞬間的に０．１ｍＡ〜５ｍＡの電流を通じて、その時に発生する起電力を、センサ出力測定装置兼内部抵抗測定装置（８）を用いて測定する。この測定値は温度に依存するので、次いで、その値が一定になるようにヒータ素子の温度を制御すればよい。すなわち、その測定値を温度制御手段であるヒータ制御装置（１０）にフィードバック（３０３）し、その結果に基づいてヒータ素子（７）への通電量を制御すれば、センサ素子の動作温度が一定の温度を保つようになる。
【００６９】
これらのヒータ制御装置（１０）、センサ出力測定装置兼内部抵抗測定装置（８）、ＣＰＵ（１１）は、別々の装置として構成されていてもよいが、これらをユニット化して一つのセンサコントローラ（１２）を構成するようにするのがよい。ユニット化することにより、アッセンブリ作業が簡便にできるからである。
【００７０】
酸素濃度検出手段（９）は、被検ガスの酸素濃度（Ｏc）を検出する酸素濃度検出装置であれば特には限定されない。センサ素子自体に酸素濃度を検出する機能があれば、そこから酸素濃度のデータを入手すればよい。また、外部の装置を酸素濃度検出手段として用いてもよい。センサ素子から酸素濃度検出部を省略できるため、センサ素子の更なる小型化、簡略化が可能になるからである。
【００７１】
例えば、図１４に示すように、リーンバーンエンジン（２２０）のエンジン制御用に用いる全領域酸素センサ（ＵＥＧＯセンサ）（２８）から酸素濃度のデータ信号（３０９、３１１）を入手することができる。この酸素濃度のデータに基づいて、可燃性ガスの濃度を検知するセンサ素子（２７）からの信号（３１０）をＣＰＵ（２６）で演算処理して補正すればよい。補正後のデータ信号（３１２）をＥＣＵ（２５）に送り、エンジン制御用の信号（３０８）を出力すればよい。
【００７２】
また、図１５に示すように、一定の条件下で運転される発電エンジン（２２１）のように排ガス中の酸素濃度が一定になるものについては、エンジンの運転条件（例：回転数、燃料消費量等）と排ガス中の酸素濃度との関係を予め測定してマップを作製してメモリーしておき、運転条件のデータ信号（３１３）に応じてＣＰＵ（２６）のメモリ中のマップから酸素濃度のデータを入手することができる。この酸素濃度のデータに基づいて、可燃性ガスの濃度を検知するセンサ素子（２７）からの信号（３１５）をＣＰＵ（２６）で演算処理して補正すればよい。
【００７３】
外部の装置の他の例としては、酸素濃度分析計を用いたり、起電力型の酸素センサを用いることができる。
【００７４】
図２は、本発明のガス濃度測定装置の別の一態様を示すもので、いわゆる積層板型センサ素子を用いた例である。酸素イオン導電性を有する固体電解質（１４）と、固体電解質に形成された基準電極（１５）、検知電極（１８）及び酸素濃度検知電極（１９）と、該固体電解質を加熱するヒータ素子（７０）とを備えるセンサ素子（１０１）を用いたガス濃度測定装置（２０１）である。センサ素子の形状は特に制限されないが、図２のように、積層板型のセンサ素子を用いるのがよい。電極を複数形成するのに有利だからである。
【００７５】
ガス濃度検出手段（１８、１５、１４０、８０）は、固体電解質１４のうち、センサ素子（１０１）の基準電極（１５）と検知電極（１８）とに挟まれた部分（１４０）に発生する各電極間の電位差に基づいて発生する起電力をセンサ出力測定装置（８０）で測定して、これに基づいて被検ガスのガス濃度を検出する。得られたガス濃度に対応する信号（３０４）と酸素濃度測定装置（９０）からの酸素濃度（Ｏc）に対応する信号（３０５）とをＣＰＵ（１１０）に送り、前述した補正手段を用いて補正演算処理することで、所望のガス濃度を示す信号（３０６）を得る。ここでは、ＣＰＵ（１１０）にメモリされたマップや関数式を用いて一連の補正処理を行っているため、ガス濃度換算手段（１１０）と補正係数算出手段（１１０）と補正手段（１１０）とが同じＣＰＵ（１１０）として図示されている。
【００７６】
センサ素子（１０１）にはヒータ素子（７０）への通電量を制御する温度制御手段であるヒータ制御装置（１００）がついており、固体電解質の内部抵抗が一定になるように調整している。センサ素子の動作温度を一定に保つためである。
具体的には、以下のように制御している。
【００７７】
まず、基準電極（１５）と固体電解質の内部抵抗を測定するための内部抵抗測定電極（２０）の間に一定間隔で瞬間的に０．１ｍＡ〜５ｍＡの電流を通じて、その時に発生する起電力を、固体電解質の内部抵抗測定装置（８１）を用いて測定する。この測定値は温度に依存するので、次いで、その値が一定になるようにヒータ素子の温度を制御すればよい。すなわち、その測定値を温度制御手段であるヒータ制御装置（１００）にフィードバック（３０７）し、その結果に基づいてヒータ素子（７０）への通電量を制御すれば、センサ素子の動作温度が一定の温度を保つようになる。
【００７８】
この内部抵抗測定電極（２０）は、上記の温度制御以外にも、基準電極（１５）に一定量の酸素を供給する機能も果たす。内部抵抗測定電極（２０）が基準電極（１５）に一定量の酸素を供給することで、一定圧の酸素が基準電極に溜まるようになり、その結果、自己生成した酸素基準が形成できるからである。
【００７９】
酸素濃度検出手段（１９、１４１、１５、９０）は、固体電解質（１４）のうち、酸素検知電極（１９）と基準電極（１５）に挟まれた部分（１４１）に発生する各電極間の電位差に基づいて発生する起電力を酸素濃度測定装置（９０）で測定して、被検ガスの酸素濃度（Ｏc）を検出するものである。固体電解質と電極との多層積層技術を用いて酸素濃度検出部をコンパクトに一体形成できるため、センサ素子の更なる小型化、簡略化が可能になる。
【００８０】
これらのヒータ制御装置（１００）、センサ出力測定装置（８０）、内部抵抗測定装置（８１）、酸素濃度測定装置（９０）、ＣＰＵ（１１０）は、別々の装置として構成されていてもよいが、これらをユニット化して一つのセンサコントローラ（１２０）を構成するようにするのがよい。ユニット化することにより、アッセンブリ作業が簡便にできるからである。
【００８１】
以下に、これら具体的構成を例示したガス濃度測定装置に共通して好適に適用可能な構成について説明する。
【００８２】
上記「固体電解質体」は、一対の電極（例えば、基準電極と検知電極）をその表面に備えることにより酸素濃淡電池を形成することができる。この固体電解質体の種類は特に限定されないが、酸素イオン導電性を有するジルコニア系焼結体（例：ＹＳＺ）や、ＬａＧａＯ3系焼結体等を用いることができる。
【００８３】
上記「基準電極」は、基準ガスと接する電極、酸素ポンプ作用により形成された一定圧力の酸素雰囲気下におかれる電極、被測定ガス中の可燃性ガス成分と接触した場合に検知電極よりも低い電位を示す電極、の少なくともいずれかである。上記「検知電極」は被測定ガスと接触する電極である。
【００８４】
このように測定できる可燃性ガスの種類、その感度及び応答性等の諸特性を良好にするためには、上記「検知電極」を、第１電極層及び第２電極層の少なくとも２層から構成される複層構造とするのがよい。「第１電極層」は、その一面が固体電解質体に接する電極層である。「第２電極層」は、その一面が第１電極層に接し、他面が被測定ガスに接する電極である。図１を例にすれば、検知電極（６）を第１電極層（４）及び第２電極層（５）の２層構造にしたり、図２を例にすれば、検知電極（１８）を第１電極層（１７）及び第２電極層（１６）の２層構造にすることをいう。
【００８５】
上記「ヒータ素子」は固体電解質体を加熱し、所定の温度に加熱保持するための素子であり、このような特性を有すれば形状、材質等特に限定されない。固体電解質体が有底円筒型である場合は、丸棒状及び平板状等の棒状ヒータ素子を用いることができる。一方、積層板型の場合は、ヒータ素子を積層体の一部に一体に備えてもよく、固体電解質体の近傍に別体に備えてもよい。このヒータ素子は、通常、内部に発熱抵抗体と、この発熱抵抗体から延設されたリード部とを備える。発熱抵抗体は、リード部を伝って外部から印加された電圧により発熱する。
【００８６】
本発明の装置により測定できる可燃性ガスとしては、例えば、炭化水素類（ヘテロ原子を有する有機化合物を含む）、水素、一酸化炭素、アンモニア等を挙げることができる。特に、炭素数２〜１５の不飽和炭化水素、アンモニア等を選択的に測定することもできる。
【００８７】
検知電極の表面には、更に拡散層を備えることが好ましい。図１を例にすれば拡散層（１３）、図２を例にすれば拡散層（２１）である。上記「拡散層」は、被測定ガス中に含まれる可燃性ガスを検知電極まで通過させることができる層であればよく、通常、スピネル、アルミナ及びジルコニア等の少なくとも１種を主成分として形成される。
【００８８】
この拡散層は、被測定ガスが拡散層の表面に達するまでの流速及び流量に関わらず、この拡散層を通過することにより検知電極に到達する被測定ガスの流速及び流量をほぼ一定に保つことができる。即ち、被測定ガスの流速及び流量に対する依存性を低減することができる。この層は被毒に対する保護層及び強度を増すための補強層等の効果も同時に有することができる。また、この拡散層は組成の異なる２層以上から形成されていてもよい。
【００８９】
【実施例】
以下に、筒型センサ素子及び積層板型センサ素子を用いた実施例によって本発明を詳しく説明する。これらのガス濃度測定装置の基本構成は、図１及び図２に示す構成とする。ここで、酸素濃度測定手段には、磁気圧式酸素分析計を用いる。
実施例１は、本発明のステップを詳細に説明するための実施例である。実施例２は、本発明と補正をしない比較例との対比実施例である。実施例３は、積層板型センサ素子を用いてここから酸素濃度に関するデータを得ることができることを示す実施例である。
【００９０】
（実施例１）
（１）筒型センサ素子の作製
４．５モル％のＹ２Ｏ３を含有するイットリア安定化ジルコニア（以下、単にＹＳＺという。）の粉末をゴム型に充填し、加圧成形する。得られた成形体の外表面に検知電極リード線となるペーストを印刷、焼成して検知電極リード線が配設された有底円筒型の固体電解質体を得る。得られた固体電解質体の内表面に白金めっきを施し、基準電極を形成する。
【００９１】
その後、該当箇所に有機金化合物を塗布して大気中８８０℃で１０分間焼き付けて第１電極層を形成した後、更に、平均粒径１μｍの金粉末と酸化インジウム粉末を９：１で含有するペーストを塗布し、大気中８８０℃で１時間焼き付けて第２電極層を形成する。
【００９２】
次いで、検知電極の表面にスピネルを溶射して拡散層を形成する。その後、先端部が固体電解質体の内底部に接するようにヒータ素子を設置する。次いで、基準電極リード線、検知電極リード線及びヒータ素子リード線を温度制御装置に接続し、可燃性ガス濃度測定装置を得る。
【００９３】
（２）測定条件及びセンサ出力の測定
測定条件は以下のようである。
・ガス組成：
▲１▼ベースガス：Ｏ2＝１％、７％、１５％、ＣＯ2＝１０％、Ｈ2Ｏ＝１０％、Ｎ2＝バランス
▲２▼被検ガス：プロピレン（Ｃ3Ｈ6）＝０ppmＣ、１００ppmＣ、３００ppmＣ、５００ppmＣ（＊「ppmＣ」は、プロピレンのＣ換算での濃度（ppm）を示す。）
・ガス温度：３００℃
・ガス流量：１５Ｌ／分
被検ガス中の酸素濃度をＯ2＝１％、７％、１５％と変化させて、各条件におけるセンサ出力（Ｓm）の測定結果を表１に示す。酸素濃度７％における各ガス濃度におけるセンサ出力（Ｓm）をプロットしたマップを図１２に示す。なお、被検ガス濃度が０ppmＣにおけるセンサ出力は誤差出力（Ｓz）に該当する。
【００９４】
【表１】
【００９５】
（３）誤差出力（Ｓz）用マップの作製
まず、センサ出力から酸素濃度に起因する誤差を除去するための誤差出力補正用のマップを作製する。各酸素濃度における誤差出力（Ｓz）の測定結果（表１のＣ3Ｈ6濃度が０ppmＣのときのデータ）をプロットしたマップを図８に示す。
【００９６】
前述したように、酸素濃度と誤差出力（Ｓz）の関係式は、ネルンストの式に従う。上記測定結果から最小二乗法により求めた近似式のプロットを測定結果と併せてマップ図８に示す。近似式は、Ｓz＝−１５．０９Ｌｎ（Ｏc）＋４０．１０９で表わされ、理論通りネルンストの式に従っていることがわかる。１に近いほど実測データと得られた近似式の相関性が高いことを示す相関係数であるＲ2の値を算出したところ、０．９９６２と極めて相関性が高い結果である。本例のように相関性が高い場合は、近似式を用いても良好な結果が得られる。
【００９７】
マップから求めた誤差出力（Ｓz）をセンサ出力（Ｓm）から減ずれば、センサ感度出力（Ｓs）が求められる。酸素濃度７％における各ガス濃度におけるセンサ感度出力（Ｓs）をプロットしたマップを図９に示す。
【００９８】
（４）換算ガス濃度（Ｃc）用マップの作製
次いで、センサ感度出力（Ｓs）を可燃性ガス成分の濃度に換算して換算ガス濃度（Ｃc）を得るための換算ガス濃度（Ｃc）用マップを作製する。
【００９９】
任意の酸素濃度を選択して、被検ガスを、プロピレン（Ｃ3Ｈ6）＝０ppmＣ、１００ppmＣ、３００ppmＣ、５００ppmＣと変化させて、それらに対応するセンサ感度出力（Ｓs）を求める。各ガス濃度におけるセンサ感度出力（Ｓs）は、表１に既に示した結果を用いて求める。この中から任意の酸素濃度におけるデータを選択する。ここでは酸素濃度７％におけるデータを選択するものとする。上記測定結果とともに、最小二乗法により求めた近似式のプロットをマップ図９に示す。
【０１００】
前述したように、ガス濃度とセンサ感度出力（Ｓs）の関係式は、経験上３次式で近似できる。酸素濃度７％におけるデータから得られる近似式は、Ｃc＝０．０００２１６（Ｓs）3−０．０２６４５９（Ｓs）2＋２．０００４３９（Ｓs）で表わされる。１に近いほど実測データと得られた近似式の相関性が高いことを示す相関係数であるＲ2の値を算出したところ、１．００００と極めて相関性が高い結果である。本例のように相関性が高い場合は、近似式を用いて換算しても良好な結果が得られる。
【０１０１】
このマップを用いて誤差出力（Ｓz）をセンサ出力から減じて得られるセンサ感度出力（Ｓs）を可燃性ガス成分の濃度（換算ガス濃度（Ｃc））に換算することができる。本例のように相関性が極めて高い場合は、近似式を用いて換算しても良好な結果が得られる。換算した結果を表２に示す。
【０１０２】
【表２】
【０１０３】
（５）補正係数（Ｋi）用マップの作製
得られた換算ガス濃度（Ｃc）と実際のガス成分の添加濃度とを一対一でプロットする。更に図１０に示すように、各酸素濃度毎に切片を０とする直線近似を行い、その傾き（Δ）を求める。この傾きの逆数（１／Δ）を求め、これを補正係数（Ｋi）とする。この補正係数（Ｋi）と対応する酸素濃度（Ｏc）との関係を表３に示す。
【０１０４】
【表３】
【０１０５】
前述したように、補正係数（Ｋi）と対応する酸素濃度（Ｏc）の関係式は、経験上２次式で近似できる。上記測定結果を最小二乗法により求めた近似式のプロットと併せて図１１に示す。近似式は、Ｋi＝−０．００２９４（Ｏc）2＋０．１２７２４（Ｏc）＋０．２５６００で表わされる。１に近いほど実測データと得られた近似式の相関性が高いことを示す相関係数であるＲ2の値を算出したところ、１．００００と極めて相関性が高い結果である。本例のように相関性が高い場合は、近似式を用いても良好な結果が得られる。
【０１０６】
（６）可燃性ガス濃度（Ｃm）の算出
得られた補正係数（Ｋi）を換算ガス濃度（Ｃc）に乗じて補正して、所望のガス濃度（Ｃm）を得る。補正後の結果を表４に示す。
【０１０７】
【表４】
【０１０８】
（実施例２）
以下の測定条件にて酸素濃度補正を行った場合と行わない場合との比較実験を行う。用いたマップは、実施例１で作製したものを用いる。
測定条件は以下のようである。以下の条件に従って、実施例１と同様の方法で行う。
・ガス組成：
▲１▼ベースガス：Ｏ2＝１％、４％、７％、１０％、１５％、ＣＯ2＝１０％、Ｈ2Ｏ＝１０％、Ｎ2＝バランス
▲２▼被検ガス：プロピレン（Ｃ3Ｈ6）＝０ppmＣ、１００ppmＣ、３００ppmＣ、５００ppmＣ（＊「ppmＣ」は、プロピレンのＣ換算での濃度（ppm）を示す。）
・ガス温度：３００℃
・ガス流量：１５Ｌ／分
【０１０９】
酸素濃度補正を行った場合の結果を表５〜表９に示す。表５は、センサ出力の測定値である。表６は、マップから求めた誤差出力（Ｓz）と補正係数（Ｋi）と各酸素濃度の関係である。表７は、表６の値を用いて得られたセンサ感度出力（Ｓs）である。表８は、表７のセンサ感度出力（Ｓs）をマップを用いて換算した換算ガス濃度（Ｃc）である。表９は、表８の換算ガス濃度（Ｃc）に表６の補正係数（Ｋi）を乗じて得られた目的とするガス濃度（Ｃm）である。
【０１１０】
一方、酸素濃度補正を行わないで、図１２に示した酸素濃度７％におけるセンサ出力（Ｓm）とプロピレン濃度のマップを用いて、センサ出力（Ｓm）をガス濃度（Ｃm）に換算した比較例の結果を表１０に示す。
【０１１１】
【表５】
【０１１２】
【表６】
【０１１３】
【表７】
【０１１４】
【表８】
【０１１５】
【表９】
【０１１６】
【表１０】
【０１１７】
これらの結果より、本発明の一態様であるガス濃度測定装置を用いれば、被検ガス中の酸素濃度が変化しても、可燃性ガス成分の濃度が高精度に測定できることがわかる。
【０１１８】
（実施例３）
図２に示す積層板型センサ素子を用いた例である。
（１）．積層板型センサ素子の作製
ＹＳＺからなるグリーンシートを２枚用意する。１枚に検知電極リード部、酸素基準電極をＰｔペーストをスクリーン印刷することより形成する。他の１枚の対向する面に基準電極と内部抵抗測定用電極をＰｔペーストをスクリーン印刷することより形成する。この２枚のグリーンシートを、基準電極が内側になるように積層圧着してクリーン体を形成する。なお、積層圧着する際、接着用溶剤を積層圧着面に予め塗布して積層圧着を容易にしておくが、別法として、積層圧着時に溶解するステアリルアルコール、ステアリン酸等の低融点樹脂を代わりに添加しても良好な積層圧着が可能となる。このグリーン体を焼成して一体化してセンサ素子焼結体を得る。
【０１１９】
次いで、検知電極を形成する箇所に有機金化合物からなるペーストを塗布して、大気雰囲気中８８０℃で１０分間焼き付けて第１電極層を形成する。更に、平均粒径１μｍの金粉末と酸化インジウム粉末を９：１の重量比で含有する導電ペーストを塗布して、大気雰囲気中８８０℃で１時間焼き付けて第２電極層を形成する。そして、センサ素子の表面にスピネルを溶射して拡散層を形成する。
【０１２０】
センサ素子のうち、加熱が必要な箇所にヒータ素子を設置する。そして、基準電極リード線、検知電極リード線及び内部抵抗測定用電極リード線を温度制御手段に接続し、積層板型の可燃性ガス濃度測定装置を得る。同様な方法により炭化水素ガス濃度測定装置を得る。
【０１２１】
（２）酸素濃度の検出試験
酸素濃度とプロピレン濃度とを変化させながら、基準電極と酸素濃度検知電極の間に発生する起電力の測定をする。結果を図１３に示す。この結果より、得られる起電力は、プロピレン濃度の影響を受けることなく、酸素濃度にのみ影響されて変化することがわかる。この基準電極と酸素濃度検知電極とこれらの電極に挟まれた固体電解質とこれらの部分から発生する起電力の測定をする酸素濃度測定装置とを酸素濃度検出手段に用いて酸素濃度を検出して、得られた酸素濃度データを用いて補正を行うことができることがわかる。
【０１２２】
これらの装置により、有底円筒型の固体電解質体を備える可燃性ガス濃度測定装置と同様に酸素濃度依存性が小さく、被測定ガスの温度に対する依存性が小さい、鋭敏な感知能力及び正確な測定能力が得られる。
【０１２３】
【発明の効果】
本発明によれば、高濃度で存在する酸素、酸素の濃度変化、被測定ガス温度等による影響を受け難く、混合ガス中から所望の可燃性ガス又は炭化水素ガスを選択的に測定することができ、更には、安定して、鋭敏に且つ正確にこれらを測定できるガス濃度測定装置を提供することができる。被検ガスの酸素濃度に左右されることなく、真のガス濃度に対応する正確な出力信号を得ることが可能なガス濃度測定装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一態様である筒型センサ素子を用いたガス濃度測定装置の説明図。
【図２】本発明の一態様である積層板型センサ素子を用いたガス濃度測定装置の説明図。
【図３】本発明の一態様であるガス濃度測定装置のＳ１〜Ｓ５からなるステップの説明図。
【図４】本発明の一態様であるガス濃度測定装置のＳ１１〜Ｓ１７からなるステップの説明図。
【図５】本発明の一態様であるガス濃度測定装置のＳ１１、Ｓ１２０、Ｓ１３〜Ｓ１７からなるステップの説明図。
【図６】本発明の一態様であるガス濃度測定装置のＳ１１、Ｓ１２０、Ｓ１３、Ｓ１４、Ｓ１５０、Ｓ１６及びＳ１７からなるステップの説明図。
【図７】本発明の一態様であるガス濃度測定装置のＳ１１、Ｓ１２０、Ｓ１３、Ｓ１４、Ｓ１５０、Ｓ１６０及びＳ１７からなるステップの説明図。
【図８】各酸素濃度における誤差出力（Ｓz）の測定結果及び最小二乗法により求めた近似式をプロットしたマップ。
【図９】酸素濃度７％における各ガス濃度におけるセンサ感度出力（Ｓs）の測定結果及び最小二乗法により求めた近似式をプロットしたマップ。
【図１０】換算ガス濃度（Ｃc）と実際のガス成分の添加濃度の測定結果及び最小二乗法により求めた近似式のプロットしたマップ。
【図１１】補正係数（Ｋi）と対応する酸素濃度（Ｏc）の測定結果及び最小二乗法により求めた近似式のプロットしたマップ。
【図１２】酸素濃度７％における各ガス濃度におけるセンサ出力（Ｓm）をプロットしたマップ
【図１３】積層板型センサ素子の基準電極と酸素濃度検知電極の間に発生する起電力の測定結果を示すグラフ。
【図１４】酸素濃度データをエンジン制御用の全領域酸素センサ（ＵＥＧＯセンサ）から得る場合におけるエンジン制御方法の説明図。
【図１５】酸素濃度データを運転条件（回転数、燃料消費量等）のデータから得る場合におけるエンジン制御方法の説明図。
【図１６】ディーゼルエンジンの排気ガスを浄化するシステムの例を示す説明図。
【図１７】ディーゼルエンジンの排気ガスを浄化するシステムの例を示す説明図。
【図１８】ディーゼルエンジンの排気ガスを浄化するシステムの例を示す説明図。
【符号の説明】
Ｓ１、Ｓ１１ 酸素濃度検出手段から得た被検ガスの酸素濃度（Ｏc）を検出するステップ。
Ｓ２、Ｓ１３ ガス濃度検出手段から得た被検ガス中のガス濃度に対応するセンサ出力（Ｓm）を検出するステップ。
Ｓ３ 酸素濃度（Ｏc）とセンサ出力（Ｓm）とに基づいて、対応する換算ガス濃度（Ｃc）を求めるステップ。
Ｓ４ 被検ガス中の酸素濃度（Ｏc）に対応する補正係数（Ｋi）を得るステップ。
Ｓ５ 被検ガス中の酸素濃度（Ｏc）に対応する補正係数（Ｋi）を用いて、換算ガス濃度（Ｃc）を補正して、目的とする所定のガス濃度（Ｃm）を得るステップ。
Ｓ１２ 酸素濃度検出手段から取得された酸素濃度（Ｏc）の検出値に基づいて、被検ガスのガス成分が実質的に０の場合における誤差出力（Ｓz）を得るステップ。
Ｓ１２０ 酸素濃度（Ｏc）とそれに対応する誤差出力（Ｓz）との関係を示す関数式又はマップを作製して予め記憶しておき、その関数式又はマップに基づいて、酸素濃度（Ｏc）の検出値に対応する誤差出力（Ｓz）を得るステップ。
Ｓ１４ ガス濃度検出手段から取得されたセンサ出力（Ｓm）から誤差出力（Ｓz）を減じてセンサ感度出力（Ｓs）を得るステップ。
Ｓ１５ センサ感度出力（Ｓs）に基づいて換算ガス濃度（Ｃc）を得るステップ。
Ｓ１５０ 所定の酸素濃度（Ｏc）におけるガス濃度とそれに対応するセンサ感度出力（Ｓs）との関係を示す関数式又はマップを作製して予め記憶しておき、その関数式又はマップに基づいて、センサ感度出力（Ｓs）の検出値に対応する換算ガス濃度（Ｃc）を得るステップ
Ｓ１６ 酸素濃度（Ｏc）の検出値に基づいて、対応する補正係数（Ｋi）を得るステップ。
Ｓ１６０ 所定の酸素濃度（Ｏc）に対応する補正係数（Ｋi）との関係を示す関数式又はマップを作製して予め記憶しておき、その関数式又はマップに基づいて対応する補正係数（Ｋi）を求めるステップ。
Ｓ１６１ 所定の酸素濃度（Ｏc）に対応する換算ガス濃度（Ｃc）とそれに対応するガス濃度との関係をプロットし、各酸素濃度毎に切片を０とする直線近似処理を行って得られた傾き（Δ）の逆数を補正係数（Ｋi）として、酸素濃度（Ｏc）に対応する補正係数（Ｋi）との関係を示す関係式又はマップを作製して予め記憶しておき、その関数式又はマップに基づいて対応する補正係数（Ｋi）を求めるステップ
Ｓ１７ 換算ガス濃度（Ｃc）に、酸素濃度に対応する補正係数（Ｋi）を乗じて、所定のガス濃度（Ｃm）を得るステップ。
１ 筒型センサ素子
１０１ 積層板型センサ素子
２、１４ 固体電解質
３、１５ 基準電極
４、１７ 第１電極層
５、１６ 第２電極層
６、１８ 検知電極
７、７０ ヒータ素子
８ センサ出力測定装置兼内部抵抗測定装置
８０ センサ出力測定装置
８１ 内部抵抗測定装置
９ 酸素濃度測定手段
９０ 酸素濃度測定装置
１０、１００ ヒータ制御装置
１１、１１０ ＣＰＵ
１２、１２０ センサコントローラ
１３、２１ 拡散層
１９ 酸素濃度検知電極
２０ 内部抵抗測定電極
【産業上の利用分野】
本発明は、自動車、船舶、飛行機等の内燃機関に用いるガス濃度測定装置に関する。特には、燃焼ガス中の可燃性ガス濃度を検出するための可燃性ガス濃度測定装置に関する。内燃機関の燃焼排気ガスに含まれる可燃性ガス（炭化水素ガス等）の濃度を測定することができる。特に、リーンバーンエンジン等に好適に利用される。
【０００２】
【従来の技術】
近年、内燃機関の排ガス規制の強化の要請が高まっている。これまで、内燃機関において燃焼しきれなかった燃焼排気ガスに含まれる可燃性ガスの燃焼をできる限り進行させるために、燃焼排気ガス中に含まれる酸素の割合を測定し、この酸素の割合を最適化することにより燃焼及び排気ガスの燃焼効率を最適化してきた。
【０００３】
しかし、近年、更なる排気ガス規制の強化から、排ガスの清浄化を促進するために、排ガスに含まれる可燃性ガス濃度を直接的に検出し、エンジン制御や浄化触媒のコントロールを行うためのガス濃度測定装置の開発が検討されている。
【０００４】
排ガスに含まれる可燃性ガス濃度を、酸素イオン導伝体上に形成した基準電極と検知電極の間に発生する起電力に基づいて検出するセンサが、特表平８−５１０８号公報、特開平１０−８２７６３号公報に開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
近年、燃料を大幅に節減できるためにリーンバーンエンジンが急速に普及しつつある。しかし、このエンジンは従来のエンジンに比べて酸素濃度の変化が大きく、リーン条件では酸素濃度が特に高くなる。このような酸素が高い濃度で存在し、酸素濃度の変化が大きい混合気体中において、これらの影響を受けずに可燃性ガスの濃度を測定することは非常に困難である。
【０００６】
従来の酸素イオン導伝体を利用したセンサから得られるガス濃度に対応する出力信号（センサ出力Ｓm）は、ガス濃度に対する直線性が乏しい、または、被検ガスに含まれる酸素濃度に対して依存性が大きい、といった問題がある。その結果、ガス成分がまったく存在しないにもかかわらず出力信号（誤差出力Ｓz）が発生したり、酸素濃度が高い程にセンサの感度が減少したりするため、真のガス濃度（Ｃm）に対応する正確な出力信号を得ることが困難であった。
【０００７】
また、これまで触媒コンバーターが装着されていなかったディーゼルエンジンにおいても窒素酸化物の排出量が多いため触媒の装着が望まれるようになっている。これら窒素酸化物の含有量が多い排気ガスを浄化するシステムとして図１６に示すような排気管（２３）に装着された触媒コンバーター（２４）の後のセンサ素子（３０）で測定したデータをフィードバックして排気ガスの燃焼効率を最適化するように燃料等をインジェクタ（２９）によりディーゼルエンジン（２２）へ噴射するシステムや、図１７に示すように触媒コンバーター（２４）の前後に可燃性ガス濃度を測定するセンサ素子（３１、３２）を配置したり、図１８に示すような触媒コンバーター（２４）自身の劣化を感知するための可燃性ガス濃度を測定するセンサ素子（３３）を配置したシステムが検討されている。しかし、このようなシステムに使用できる混合気体中から所望の可燃性ガスの濃度を選択的に測定できる装置は知られていない。
【０００８】
本発明は上記課題を解決するものであり、高濃度で存在する酸素、酸素の濃度変化、被測定ガス温度等による影響を受け難く、混合ガス中から所望の可燃性ガス又は炭化水素ガスを選択的に測定することができ、更には、安定して、鋭敏に且つ正確にこれらを測定できるガス濃度測定装置を提供することを目的とする。被検ガスの酸素濃度に左右されることなく、目的とする所定のガス濃度に対応する正確な出力信号を得ることが可能なガス濃度測定装置を提供することができる。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、被検ガスの酸素濃度に関する情報に基づいて、センサから得られるガス濃度に対応する出力信号（センサ出力Ｓm）を補正することで、真のガス濃度に対応する正確な情報を得ることが可能な可燃性ガス濃度測定装置である。より具体的には、被検ガス中の酸素濃度が既知であるか、他に酸素濃度検出部を設けるか、或いは、外部から被検ガス中の酸素濃度の情報を得ることにより、センサ素子からのガス濃度に対応する出力信号（センサ出力Ｓm）の酸素濃度に起因する誤差を補正し、かつ、最小限のマップデータや補正式を用いるのみで高精度なガス濃度の補正、測定が具体的な可能な可燃性ガス濃度測定装置である。
【００１０】
具体的な一態様としては、図３に示すＳ１からＳ５のステップを行う手段を有するガス濃度測定装置を例示することができる。
【００１１】
Ｓ１のステップは、酸素濃度検出手段から得た被検ガスの酸素濃度（Ｏc）を検出するステップを行う。Ｓ２のステップは、ガス濃度検出手段から得た被検ガス中のガス濃度に対応するセンサ出力（Ｓm）を検出するステップを行う。なお、このＳ１のステップとＳ２のステップは、順序が逆転していてもよい。また、同時に進行してもよい。ようするに、これらのステップから得られる情報（Ｏc及びＳm）が、続くＳ３のステップまでに得られていればよい。
【００１２】
Ｓ３のステップは、酸素濃度（Ｏc）とセンサ出力（Ｓm）とに基づいて、対応する換算ガス濃度（Ｃc）を求めるステップを行う。被検ガス中のガス濃度に対応するセンサ出力（Ｓm）自体は、酸素濃度（Ｏc）の影響による誤差出力（Ｓz）を含んだ出力になっているため、目的とする所定のガス濃度（Ｃm）自体を表わす出力ではない。そこで、酸素濃度（Ｏc）の影響による誤差出力（Ｓz）分をセンサ出力（Ｓm）から除いた出力であるセンサ感度出力（Ｓs）を求め、それに対応するガス濃度に換算して、換算ガス濃度（Ｃc）を求める必要がある。
【００１３】
Ｓ４のステップは、被検ガス中の酸素濃度（Ｏc）に対応する補正係数（Ｋi）を得るステップを行う。この補正係数（Ｋi）は、通常、酸素濃度の関数として得られる。このＳ４のステップは、Ｓ１のステップ以降であれば、Ｓ２、Ｓ３のステップと前後しても、同時に進行してもよい。ようするに、これらのステップから得られる情報（Ｋi及びＣc）が、続くＳ５のステップまでに得られていればよい。
【００１４】
Ｓ５のステップは、被検ガス中の酸素濃度（Ｏc）に対応する補正係数（Ｋi）を用いて、酸素濃度（Ｏc）の影響による誤差出力（Ｓz）分をセンサ出力（Ｓm）から除いた出力であるセンサ感度出力（Ｓs）をガス濃度に換算した換算ガス濃度（Ｃc）を補正して、目的とする所定のガス濃度（Ｃm）を得るステップを行う。酸素濃度の変化による誤差の影響を補正することで、目的とする所定のガス濃度（Ｃm）自体を得ることができる。
【００１５】
以下に、上記手段の各ステップに含まれる構成要件について順次説明する。
【００１６】
本発明における酸素濃度検出手段とは、被検ガスの酸素濃度（Ｏc）に関する情報を、その酸素濃度に対応する電気的信号、機械的信号等として供給する手段をいう。被検ガスの酸素濃度（Ｏc）が既知で一定の場合は、その一定値に対応する信号を供給し、被検ガスの酸素濃度（Ｏc）が環境に応じて逐次変化する場合は、連続的あるいは断続的に検出した値に対応する信号を供給するものであればよい。
【００１７】
被検ガスの酸素濃度（Ｏc）に対応する信号の供給方法としては、ケーブルを介して電気的信号を供給する方法、赤外線や無線を用いて信号を供給する方法、油圧やモーターなどの駆動手段を用いて機械的に供給する方法などを用いることができるが、これらに限定されるものではない。マイクロプロセッサを用いた演算処理を高速、円滑に行うためには、電気的信号として供給するのがよい。
【００１８】
被検ガスの酸素濃度（Ｏc）に関する情報は、ガス濃度測定装置自体に酸素濃度を検出するためのセンサ素子を設けて得るのが良い。ガス濃度を測定する位置と酸素濃度を測定する位置とが近いため、より現実的なガス濃度と酸素濃度に基づいた補正が可能となるからである。
【００１９】
ガス濃度を測定する位置と酸素濃度を測定する位置とが離れていてもガス濃度と酸素濃度に基づいた補正が可能な場合は、酸素濃度を検出するためのセンサ素子をガス濃度測定装置の外部に設けて、そこから酸素濃度に関する情報を得るのが良い。ガス濃度を検出するためのセンサ素子と酸素濃度を検出するためのセンサ素子とを別体化することで、それぞれに高性能で安価な素子を適宜選択してガス濃度測定装置を組み上げることができるため、製造コストの低減が可能となるからである。
【００２０】
具体的には、酸素濃度データ（３０９、３１１）をエンジン制御用の全領域酸素センサ（ＵＥＧＯセンサ）（２８）から得て、可燃性ガス濃度を測定するためのセンサ素子（２７）からの信号（３１０）をＣＰＵ（２６）によって補正し、ＥＣＵ（２５）にフィードバックしてリーンバーンエンジン（２２０）を制御する場合（図１４）や、ほぼ一定の条件下で使用される発電用エンジン（２２１）のように、運転条件（回転数、燃料消費量等）のデータ（３１３、３１４）と排気ガス中の酸素濃度の関係を測定して予めマップを作製してＣＰＵ（２６）のメモリに記憶させておいて、このマップから酸素濃度を既知データとして得て、可燃性ガス濃度を測定するためのセンサ素子（２７）からの信号（３１５）をＣＰＵ（２６）によって補正する場合（図１５）を例示することができる。他には、酸素濃度分析計から得られる酸素濃度データや、起電力型の酸素センサから得られる酸素濃度データを用いることができる。
【００２１】
酸素濃度検出手段としては、ジルコニア系焼結体（例：イットリア安定型ジルコニア、以下、「ＹＳＺ」と称する。）、ＬａＧａＯ3系焼結体等の酸素イオン導電性を有する固体電解質を利用した酸素センサを用いるのがよい。
その形状は特には限定されないが、有底円筒型、板型、積層板型、薄膜型等適宜選択して使用することができる。
【００２２】
本発明におけるガス濃度検出手段とは、被検ガスのガス濃度に関する情報を、そのガス濃度に対応する電気的信号、機械的信号等として供給する手段をいう。被検ガスのガス濃度に対応する信号の供給方法としては、ケーブルを介して電気的信号を供給する方法、赤外線や無線を用いて信号を供給する方法、油圧やモーターなどの駆動手段を用いて機械的に供給する方法などを用いることができるが、これらに限定されるものではない。マイクロプロセッサを用いた演算処理を高速、円滑に行うためには、電気的信号として供給するのがよい。
【００２３】
前述したように、酸素イオン導伝体を利用したガス濃度検出手段自体から得られるガス濃度に対応する出力信号は、誤差出力（Ｓz）の影響を受けたり、感度が減少した出力であるため、目的とする所定のガス濃度（Ｃm）に対応する正確な出力信号とはいえない可能性が高い。
【００２４】
これは、固体電解質と電極と気相とが構成するいわゆる「三相界面」における可燃性ガス成分の気相燃焼による誤差が原因と言われている。つまり、酸素濃度が高い程、可燃性ガスの気相燃焼の割合も大きくなった結果、「三相界面」に到達する可燃性ガスの割合も少なり、センサ感度が低下するのである。
【００２５】
目的とする所定のガス濃度（Ｃm）に対応する正確な出力信号を得るためには、酸素濃度検出手段の検出値である酸素濃度（Ｏc）とガス濃度検出手段の検出値であるセンサ出力（Ｓm）とに基づいて得られる換算ガス濃度（Ｃc）を、酸素濃度に対応する補正係数（Ｋi）を用いて補正して、目的とする所定のガス濃度（Ｃm）を得るステップを行う補正手段を用いるとよい。酸素濃度（Ｏc）の影響による誤差出力（Ｓz）分をセンサ出力（Ｓm）から差し引いた出力であるセンサ感度出力（Ｓs）を濃度換算した換算ガス濃度（Ｃc）と目的とする所定のガス濃度（Ｃm）の間には、各酸素濃度のレベル毎に、所定の比例関係が成立するからである。酸素濃度に起因して発生する誤差を、酸素濃度に対応する補正係数（Ｋi）を用いて補正するため、マイクロプロセッサを用いた演算処理が容易に行える利点がある。
【００２６】
補正手段としては、図４に示すような、以下の（Ｓ１２）、（Ｓ１４）、（Ｓ１５）、（Ｓ１６）、（Ｓ１７）のステップを行うものであるとよい。酸素濃度に起因して発生する誤差を補正する作業が、コンピュータを用いた演算処理により容易に行える利点があるからである。
以下に、補正手段について説明する。
【００２７】
酸素濃度検出手段から取得された酸素濃度（Ｏc）の検出値に基づいて、被検ガスのガス成分が実質的に０の場合における誤差出力（Ｓz）を得るステップ（Ｓ１２）を行う誤差出力選択手段を含むこと。
【００２８】
予め、可燃性ガスを含まない雰囲気の酸素濃度を変化させながら、酸素濃度検出手段からの酸素濃度（Ｏc）の検出値である誤差出力（Ｓz）を測定し、酸素濃度（Ｏc）と誤差出力（Ｓz）の関係を求めておけば、必要時にその測定条件に対応する値を「選択」し、その値に基づいて補正すればよいため、補正作業やシステムの構成が簡単、容易になる利点がある。
【００２９】
ガス濃度測定装置自体に、ガス成分と酸素とを分離する分離膜等の分離手段が備え付けられている場合や、ガス成分と酸素濃度とを各々独立に分離して測定する手段（例：センサ素子に可燃性ガスには反応しない電極を設けて、ガス成分と酸素濃度とを同時に測定。）が備え付けられている場合には、酸素濃度（Ｏc）と誤差出力（Ｓz）の関係は、必要に応じてその都度求めるのがよい。温度、気圧等の測定条件が同一なので、よりリアルタイムな情報を供給できるからである。
【００３０】
ところで、酸素濃度（Ｏc）と誤差出力（Ｓz）の関係は、用いる酸素濃度検出手段に固有のものである場合が多い。したがって、上記（Ｓ１２）のステップを行う誤差出力選択手段は、以下の（Ｓ１２０）のステップを行う誤差出力選択手段のように、関数式又はマップを作製してガス濃度測定装置のメモリに予め記憶して用いるのがよい。
【００３１】
酸素濃度（Ｏc）とそれに対応する誤差出力（Ｓz）との関係を示す関数式又はマップを作製して予め記憶しておき、その関数式又はマップに基づいて、酸素濃度検出手段により取得された前記酸素濃度（Ｏc）の検出値に対応する前記誤差出力（Ｓz）を得るステップ（Ｓ１２０）を行う誤差出力選択手段を含むこと。
【００３２】
酸素濃度（Ｏc）とそれに対応する誤差出力（Ｓz）の関係を必要な都度求める場合よりも、このように、関数式又はマップを作製して予め記憶しておき、必要時に測定条件にあった値を「選択」する方が、ＣＰＵやメモリへの負担の軽減や演算処理の高速化が図れるからである。補正作業をコンピュータを用いた演算処理により行う際に便利である。
【００３３】
酸素濃度（Ｏc）とそれに対応する誤差出力（Ｓz）の関係式は、理論上ネルンストの式に従うため、以下の数式１に示す対数関数に近似して扱うことができる。なお、ここにいう（ａ）、（ｂ）は所定の係数を示し、（Ｌｎ）は自然対数を示す。素子の特性に応じて関係式を求めてメモリに記憶しておくことで、被検ガス中の酸素濃度が急激に変化しても、精度の高い測定が可能となる。
【００３４】
【数１】
（Ｓz）＝（ａ）×（Ｌｎ）［（Ｏc）］＋（ｂ）
【００３５】
より正確にガス濃度に対応する出力信号を得るには、以下の（Ｓ１４）に示すステップを行うセンサ感度出力算出手段により、誤差出力選択手段から得られた誤差出力（Ｓz）を減じて算出ずる必要がある。
【００３６】
ガス濃度検出手段から取得されたセンサ出力（Ｓm）から誤差出力（Ｓz）を減じてセンサ感度出力（Ｓs）を得るステップ（Ｓ１４）を行うセンサ感度出力算出手段を含むこと。
【００３７】
本発明におけるセンサ感度出力算出手段とは、被検ガスのガス濃度に対応して、ガス濃度検出手段から取得された電気的信号、機械的信号等であるセンサ出力（Ｓm）から、予め酸素濃度に依存する誤差である誤差出力（Ｓz）を減じて、本来的なセンサ感度に対応するセンサ感度出力（Ｓs）を算出する手段である。
【００３８】
センサ出力（Ｓm）から誤差出力（Ｓz）を減じてセンサ感度出力（Ｓs）を算出する演算処理を行うのみであるから、この演算処理を行う際にＣＰＵやメモリに過大な負担をかけることはない利点がある。
【００３９】
次いで、上記（Ｓ１４）のステップを行うセンサ感度出力算出手段から得られた、本来的なセンサ感度に対応するセンサ感度出力（Ｓs）を、ガス濃度に換算する必要がある。以下の（Ｓ１５）のステップを含むガス濃度換算手段を用いて、対応する換算ガス濃度（Ｃc）に変換するのがよい。
【００４０】
センサ感度出力（Ｓs）に基づいて換算ガス濃度（Ｃc）を得るステップ（Ｓ１５）を行うガス濃度換算手段を含むこと。
【００４１】
本発明におけるガス濃度換算手段とは、センサ感度出力算出手段から得られた電気的信号、機械的信号等であるセンサ感度出力（Ｓs）を、それに対応するガス濃度である換算ガス濃度（Ｃc）に換算する手段をいう。酸素濃度に依存する誤差出力（Ｓz）を除いてあるため、より目的とする所定のガス濃度（Ｃm）に近い濃度値を得ることができる。
【００４２】
ところで、センサ感度出力（Ｓs）と換算ガス濃度（Ｃc）の関係は、用いるガス濃度検出手段に固有のものである場合が多い。したがって、上記ガス濃度換算手段は、以下の（Ｓ１５０）のステップを行うガス濃度換算手段のように、関数式又はマップを作製してガス濃度測定装置のメモリに予め記憶して用いるのがよい。
【００４３】
所定の酸素濃度（Ｏc）におけるガス濃度とそれに対応するセンサ感度出力（Ｓs）との関係を示す関数式又はマップを作製して予め記憶しておき、その関数式又はマップに基づいて、取得された前記センサ感度出力（Ｓs）の検出値に対応する前記換算ガス濃度（Ｃc）を得るステップ（Ｓ１５０）を行うガス濃度換算手段を含むこと。
【００４４】
センサ感度出力（Ｓs）とそれに対応する換算ガス濃度（Ｃc）の関係を必要な都度求める場合よりも、このように、関数式又はマップを作製して予め記憶しておき、必要時にセンサ感度出力（Ｓs）にあった値を選択して「換算」する方が、ＣＰＵやメモリへの負担の軽減や演算処理の高速化が図れるからである。換算作業をコンピュータを用いた演算処理により行う際に便利である。
【００４５】
センサ感度出力（Ｓs）とそれに対応する換算ガス濃度（Ｃc）の関係式は、固体電解質を用いた素子を用いた場合、経験上、以下の数式２に示すようなセンサ感度出力（Ｓs）の３次式に近似して扱うことができる。なお、ここにいう（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）は所定の係数を示す。素子の特性に応じて関係式を求めてメモリに記憶しておくことで、被検ガス中の酸素濃度が急激に変化しても、精度の高い測定が可能となる。
【００４６】
【数２】
（Ｃc）＝（ｃ）×［（Ｓs）］3＋（ｄ）×［（Ｓs）］2＋（ｅ）×［（Ｓs）］
【００４７】
ここで得られた換算ガス濃度（Ｃc）は、まだ目的とする所定のガス濃度（Ｃm）を表わすものではない。実際には、被検ガスの酸素濃度のレベル毎に対応する所定量の誤差を含有している。そこで、この被検ガスの酸素濃度のレベル毎に所定量の誤差を補正するために、（Ｓ１６）のステップを行う補正係数算出手段及び以下の（Ｓ１７）のステップを行うガス濃度補正手段が必要となる。
【００４８】
酸素濃度（Ｏc）の検出値に基づいて、対応する補正係数（Ｋi）を得るステップ（Ｓ１６）を行う補正係数算出手段を含むこと。
【００４９】
換算ガス濃度（Ｃc）に、酸素濃度に対応する補正係数（Ｋi）を乗じて、目的とする所定のガス濃度（Ｃm）を得るステップ（Ｓ１７）を行うガス濃度補正手段を含むこと。
【００５０】
換算ガス濃度（Ｃc）に含まれる誤差は、目的とする所定のガス濃度（Ｃm）に対して絶対値が一致していない程度の、相対的な誤差にまで抑えられている。しかし、この相対的な誤差を補正しなければ、目的とする所定のガス濃度（Ｃm）を得ることはできない。ここでは、この相対的な誤差を補正する手段として、酸素濃度に対応する補正係数（Ｋi）を用いる。
【００５１】
補正係数（Ｋi）は酸素濃度に対応して定まるものであるため、この補正係数（Ｋi）を用いれば、被検ガス中の酸素濃度が急激に変化しても、精度の高い補正が可能となる。補正に関する演算処理も、基本的には、換算ガス濃度（Ｃc）に補正係数（Ｋi）を乗ずるのみで極めて簡単な処理で済むため、演算システムを簡略に構成することができる。より好ましくは、以下の（Ｓ１６０）のステップを行う補正係数算出手段を用いるのがよい。
【００５２】
所定の酸素濃度（Ｏc）に対応する補正係数（Ｋi）との関係を示す関数式又はマップを作製して予め記憶しておき、その関数式又はマップに基づいて対応する補正係数（Ｋi）を求めるステップ（Ｓ１６０）を行う補正係数算出手段を含むこと。
【００５３】
酸素濃度（Ｏc）とそれに対応する補正係数（Ｋi）の関係を必要な都度求める場合よりも、このように、関数式又はマップを作製して予め記憶しておき、必要時に酸素濃度（Ｏc）にあった値を選択して「補正」する方が、ＣＰＵやメモリへの負担の軽減や演算処理の高速化が図れるからである。補正作業をコンピュータを用いた演算処理により行う際に便利である。
【００５４】
酸素濃度（Ｏc）とそれに対応する補正係数（Ｋi）の関係式は、固体電解質を用いた素子を用いた場合、経験上、以下の数式３に示すような酸素濃度（Ｏc）の２次式に近似して扱うことができる。なお、ここにいう（ｆ）、（ｇ）、（ｈ）は所定の係数を示す。素子の特性に応じて関係式を求めてメモリに記憶しておくことで、被検ガス中の酸素濃度が急激に変化しても、精度の高い補正が可能となる。
【００５５】
【数３】
（Ｋi）＝（ｆ）×［（Ｏc）］2＋（ｇ）×［（Ｏc）］＋（ｈ）
【００５６】
このガス濃度換算手段は、以下の（Ｓ１６１）のステップを行う補正係数算出手段により補正係数（Ｋi）を求め、かつ、関数式又はマップを作製してガス濃度測定装置のメモリに予め記憶して用いるのがよい。補正作業をコンピュータを用いた演算処理により行う際に便利だからである。
【００５７】
所定の酸素濃度（Ｏc）に対応する換算ガス濃度（Ｃc）とそれに対応するガス濃度との関係をプロットし、各酸素濃度毎に切片を０とする直線近似処理を行って得られた傾き（Δ）の逆数を補正係数（Ｋi）として、酸素濃度（Ｏc）に対応する補正係数（Ｋi）との関係を示す関係式又はマップを作製して予め記憶しておき、その関数式又はマップに基づいて対応する補正係数（Ｋi）を求めるステップ（Ｓ１６１）を行う補正係数算出手段を含むこと。
【００５８】
酸素濃度（Ｏc）に対応する補正係数（Ｋi）との関係を示す関係式又はマップは、以下のように作製する。まず、所定の酸素濃度（Ｏc）に対応する換算ガス濃度（Ｃc）を縦軸に、それに対応するガス濃度を横軸にとってプロットする。このプロットは、各酸素濃度毎にプロットする。得られたプロットは、各酸素濃度毎にそれら各酸素濃度に対応する種々の傾きを有する。
【００５９】
次いで、得られたプロットに対して、各酸素濃度毎に切片を０とする直線近似処理を行う。直線近似処理には、最小二乗法を用いるのがよい。この近似直線の傾き（Δ）を求め、その傾きの逆数（１／Δ）を補正係数（Ｋi）として求める。そして、酸素濃度（Ｏc）と、それに対応して得られた補正係数（Ｋi）との関係を示す関係式又はマップを作製する。
【００６０】
補正係数（Ｋi）は酸素濃度に対応して定まるものであるため、この補正係数（Ｋi）を用いれば、被検ガス中の酸素濃度が急激に変化しても、精度の高い補正が可能となる。補正に関する演算処理も、基本的には、換算ガス濃度（Ｃc）に補正係数（Ｋi）を乗ずるのみで極めて簡単な処理で済むため、演算システムを簡略に構成することができる。
【００６１】
この関係式又はマップは、必要な都度求めるよりも、関数式又はマップを作製して予め記憶しておき、必要時に酸素濃度（Ｏc）にあった補正係数（Ｋi）を選択して「補正」する方が、ＣＰＵやメモリへの負担の軽減や演算処理の高速化が図れる利点がある。換算作業をコンピュータを用いた演算処理により行う際に便利である。
【００６２】
このようにして得られた補正係数（Ｋi）を用いて目的とする所定のガス濃度（Ｃm）を得るには、以下の（Ｓ１７）のステップを行うガス濃度補正手段を用いるのがよい。
【００６３】
換算ガス濃度（Ｃc）に補正係数（Ｋi）を乗じて、目的とする所定のガス濃度（Ｃm）を得るステップ（Ｓ１７）を行うガス濃度補正手段を含むこと。
【００６４】
酸素濃度に対応して定まる補正係数（Ｋi）を用いるため、被検ガス中の酸素濃度が急激に変化しても、精度の高い補正が可能となる。補正に関する演算処理も、基本的には、換算ガス濃度（Ｃc）に補正係数（Ｋi）を乗ずるのみで極めて簡単な処理で済むため、演算システムを簡略に構成することができる。
【００６５】
以下に本発明の具体的な実施の態様を例示して説明する。
図１は、本発明のガス濃度測定装置の一態様を示すもので、いわゆる筒型センサ素子を用いた例である。酸素イオン導電性を有する固体電解質（２）と、固体電解質に形成された基準電極（３）及び検知電極（６）と、固体電解質を加熱するヒータ素子（７）とを備えるセンサ素子（１）を用いたガス濃度測定装置（２００）である。センサ素子の形状は特に制限されないが、図１のように、筒型のセンサ素子を用いるのがよい。機械的強度に優れ、信頼性が高いからである。
【００６６】
ガス濃度検出手段（１、８）は、センサ素子（１）の基準電極（３）と検知電極（６）の間に発生する起電力をセンサ出力測定装置兼内部抵抗測定装置（８）で測定して、これに基づいて被検ガスのガス濃度を検出する。得られたガス濃度に対応する信号（３０１）と酸素濃度測定装置（９）からの酸素濃度（Ｏc）に対応する信号（３０２）とをＣＰＵ（１１）に送り、前述した補正手段を用いて補正演算処理することで、所望のガス濃度を示す信号（３００）を得る。ここでは、ＣＰＵ（１１）にメモリされたマップや関数式を用いて一連の補正処理を行っているため、ガス濃度換算手段（１１）と補正係数算出手段（１１）と補正手段（１１）とが同じＣＰＵ（１１）として図示されている。
【００６７】
センサ素子（１）にはヒータ素子（７）がついており、ヒータ制御装置（１０）により、センサ素子の動作温度が一定になるように調整して、固体電解質の酸素イオン伝導性を一定に保っている。具体的には、以下のように調整している。
【００６８】
まず、センサ素子（１）の基準電極（３）と検知電極（６）の間に一定間隔で瞬間的に０．１ｍＡ〜５ｍＡの電流を通じて、その時に発生する起電力を、センサ出力測定装置兼内部抵抗測定装置（８）を用いて測定する。この測定値は温度に依存するので、次いで、その値が一定になるようにヒータ素子の温度を制御すればよい。すなわち、その測定値を温度制御手段であるヒータ制御装置（１０）にフィードバック（３０３）し、その結果に基づいてヒータ素子（７）への通電量を制御すれば、センサ素子の動作温度が一定の温度を保つようになる。
【００６９】
これらのヒータ制御装置（１０）、センサ出力測定装置兼内部抵抗測定装置（８）、ＣＰＵ（１１）は、別々の装置として構成されていてもよいが、これらをユニット化して一つのセンサコントローラ（１２）を構成するようにするのがよい。ユニット化することにより、アッセンブリ作業が簡便にできるからである。
【００７０】
酸素濃度検出手段（９）は、被検ガスの酸素濃度（Ｏc）を検出する酸素濃度検出装置であれば特には限定されない。センサ素子自体に酸素濃度を検出する機能があれば、そこから酸素濃度のデータを入手すればよい。また、外部の装置を酸素濃度検出手段として用いてもよい。センサ素子から酸素濃度検出部を省略できるため、センサ素子の更なる小型化、簡略化が可能になるからである。
【００７１】
例えば、図１４に示すように、リーンバーンエンジン（２２０）のエンジン制御用に用いる全領域酸素センサ（ＵＥＧＯセンサ）（２８）から酸素濃度のデータ信号（３０９、３１１）を入手することができる。この酸素濃度のデータに基づいて、可燃性ガスの濃度を検知するセンサ素子（２７）からの信号（３１０）をＣＰＵ（２６）で演算処理して補正すればよい。補正後のデータ信号（３１２）をＥＣＵ（２５）に送り、エンジン制御用の信号（３０８）を出力すればよい。
【００７２】
また、図１５に示すように、一定の条件下で運転される発電エンジン（２２１）のように排ガス中の酸素濃度が一定になるものについては、エンジンの運転条件（例：回転数、燃料消費量等）と排ガス中の酸素濃度との関係を予め測定してマップを作製してメモリーしておき、運転条件のデータ信号（３１３）に応じてＣＰＵ（２６）のメモリ中のマップから酸素濃度のデータを入手することができる。この酸素濃度のデータに基づいて、可燃性ガスの濃度を検知するセンサ素子（２７）からの信号（３１５）をＣＰＵ（２６）で演算処理して補正すればよい。
【００７３】
外部の装置の他の例としては、酸素濃度分析計を用いたり、起電力型の酸素センサを用いることができる。
【００７４】
図２は、本発明のガス濃度測定装置の別の一態様を示すもので、いわゆる積層板型センサ素子を用いた例である。酸素イオン導電性を有する固体電解質（１４）と、固体電解質に形成された基準電極（１５）、検知電極（１８）及び酸素濃度検知電極（１９）と、該固体電解質を加熱するヒータ素子（７０）とを備えるセンサ素子（１０１）を用いたガス濃度測定装置（２０１）である。センサ素子の形状は特に制限されないが、図２のように、積層板型のセンサ素子を用いるのがよい。電極を複数形成するのに有利だからである。
【００７５】
ガス濃度検出手段（１８、１５、１４０、８０）は、固体電解質１４のうち、センサ素子（１０１）の基準電極（１５）と検知電極（１８）とに挟まれた部分（１４０）に発生する各電極間の電位差に基づいて発生する起電力をセンサ出力測定装置（８０）で測定して、これに基づいて被検ガスのガス濃度を検出する。得られたガス濃度に対応する信号（３０４）と酸素濃度測定装置（９０）からの酸素濃度（Ｏc）に対応する信号（３０５）とをＣＰＵ（１１０）に送り、前述した補正手段を用いて補正演算処理することで、所望のガス濃度を示す信号（３０６）を得る。ここでは、ＣＰＵ（１１０）にメモリされたマップや関数式を用いて一連の補正処理を行っているため、ガス濃度換算手段（１１０）と補正係数算出手段（１１０）と補正手段（１１０）とが同じＣＰＵ（１１０）として図示されている。
【００７６】
センサ素子（１０１）にはヒータ素子（７０）への通電量を制御する温度制御手段であるヒータ制御装置（１００）がついており、固体電解質の内部抵抗が一定になるように調整している。センサ素子の動作温度を一定に保つためである。
具体的には、以下のように制御している。
【００７７】
まず、基準電極（１５）と固体電解質の内部抵抗を測定するための内部抵抗測定電極（２０）の間に一定間隔で瞬間的に０．１ｍＡ〜５ｍＡの電流を通じて、その時に発生する起電力を、固体電解質の内部抵抗測定装置（８１）を用いて測定する。この測定値は温度に依存するので、次いで、その値が一定になるようにヒータ素子の温度を制御すればよい。すなわち、その測定値を温度制御手段であるヒータ制御装置（１００）にフィードバック（３０７）し、その結果に基づいてヒータ素子（７０）への通電量を制御すれば、センサ素子の動作温度が一定の温度を保つようになる。
【００７８】
この内部抵抗測定電極（２０）は、上記の温度制御以外にも、基準電極（１５）に一定量の酸素を供給する機能も果たす。内部抵抗測定電極（２０）が基準電極（１５）に一定量の酸素を供給することで、一定圧の酸素が基準電極に溜まるようになり、その結果、自己生成した酸素基準が形成できるからである。
【００７９】
酸素濃度検出手段（１９、１４１、１５、９０）は、固体電解質（１４）のうち、酸素検知電極（１９）と基準電極（１５）に挟まれた部分（１４１）に発生する各電極間の電位差に基づいて発生する起電力を酸素濃度測定装置（９０）で測定して、被検ガスの酸素濃度（Ｏc）を検出するものである。固体電解質と電極との多層積層技術を用いて酸素濃度検出部をコンパクトに一体形成できるため、センサ素子の更なる小型化、簡略化が可能になる。
【００８０】
これらのヒータ制御装置（１００）、センサ出力測定装置（８０）、内部抵抗測定装置（８１）、酸素濃度測定装置（９０）、ＣＰＵ（１１０）は、別々の装置として構成されていてもよいが、これらをユニット化して一つのセンサコントローラ（１２０）を構成するようにするのがよい。ユニット化することにより、アッセンブリ作業が簡便にできるからである。
【００８１】
以下に、これら具体的構成を例示したガス濃度測定装置に共通して好適に適用可能な構成について説明する。
【００８２】
上記「固体電解質体」は、一対の電極（例えば、基準電極と検知電極）をその表面に備えることにより酸素濃淡電池を形成することができる。この固体電解質体の種類は特に限定されないが、酸素イオン導電性を有するジルコニア系焼結体（例：ＹＳＺ）や、ＬａＧａＯ3系焼結体等を用いることができる。
【００８３】
上記「基準電極」は、基準ガスと接する電極、酸素ポンプ作用により形成された一定圧力の酸素雰囲気下におかれる電極、被測定ガス中の可燃性ガス成分と接触した場合に検知電極よりも低い電位を示す電極、の少なくともいずれかである。上記「検知電極」は被測定ガスと接触する電極である。
【００８４】
このように測定できる可燃性ガスの種類、その感度及び応答性等の諸特性を良好にするためには、上記「検知電極」を、第１電極層及び第２電極層の少なくとも２層から構成される複層構造とするのがよい。「第１電極層」は、その一面が固体電解質体に接する電極層である。「第２電極層」は、その一面が第１電極層に接し、他面が被測定ガスに接する電極である。図１を例にすれば、検知電極（６）を第１電極層（４）及び第２電極層（５）の２層構造にしたり、図２を例にすれば、検知電極（１８）を第１電極層（１７）及び第２電極層（１６）の２層構造にすることをいう。
【００８５】
上記「ヒータ素子」は固体電解質体を加熱し、所定の温度に加熱保持するための素子であり、このような特性を有すれば形状、材質等特に限定されない。固体電解質体が有底円筒型である場合は、丸棒状及び平板状等の棒状ヒータ素子を用いることができる。一方、積層板型の場合は、ヒータ素子を積層体の一部に一体に備えてもよく、固体電解質体の近傍に別体に備えてもよい。このヒータ素子は、通常、内部に発熱抵抗体と、この発熱抵抗体から延設されたリード部とを備える。発熱抵抗体は、リード部を伝って外部から印加された電圧により発熱する。
【００８６】
本発明の装置により測定できる可燃性ガスとしては、例えば、炭化水素類（ヘテロ原子を有する有機化合物を含む）、水素、一酸化炭素、アンモニア等を挙げることができる。特に、炭素数２〜１５の不飽和炭化水素、アンモニア等を選択的に測定することもできる。
【００８７】
検知電極の表面には、更に拡散層を備えることが好ましい。図１を例にすれば拡散層（１３）、図２を例にすれば拡散層（２１）である。上記「拡散層」は、被測定ガス中に含まれる可燃性ガスを検知電極まで通過させることができる層であればよく、通常、スピネル、アルミナ及びジルコニア等の少なくとも１種を主成分として形成される。
【００８８】
この拡散層は、被測定ガスが拡散層の表面に達するまでの流速及び流量に関わらず、この拡散層を通過することにより検知電極に到達する被測定ガスの流速及び流量をほぼ一定に保つことができる。即ち、被測定ガスの流速及び流量に対する依存性を低減することができる。この層は被毒に対する保護層及び強度を増すための補強層等の効果も同時に有することができる。また、この拡散層は組成の異なる２層以上から形成されていてもよい。
【００８９】
【実施例】
以下に、筒型センサ素子及び積層板型センサ素子を用いた実施例によって本発明を詳しく説明する。これらのガス濃度測定装置の基本構成は、図１及び図２に示す構成とする。ここで、酸素濃度測定手段には、磁気圧式酸素分析計を用いる。
実施例１は、本発明のステップを詳細に説明するための実施例である。実施例２は、本発明と補正をしない比較例との対比実施例である。実施例３は、積層板型センサ素子を用いてここから酸素濃度に関するデータを得ることができることを示す実施例である。
【００９０】
（実施例１）
（１）筒型センサ素子の作製
４．５モル％のＹ２Ｏ３を含有するイットリア安定化ジルコニア（以下、単にＹＳＺという。）の粉末をゴム型に充填し、加圧成形する。得られた成形体の外表面に検知電極リード線となるペーストを印刷、焼成して検知電極リード線が配設された有底円筒型の固体電解質体を得る。得られた固体電解質体の内表面に白金めっきを施し、基準電極を形成する。
【００９１】
その後、該当箇所に有機金化合物を塗布して大気中８８０℃で１０分間焼き付けて第１電極層を形成した後、更に、平均粒径１μｍの金粉末と酸化インジウム粉末を９：１で含有するペーストを塗布し、大気中８８０℃で１時間焼き付けて第２電極層を形成する。
【００９２】
次いで、検知電極の表面にスピネルを溶射して拡散層を形成する。その後、先端部が固体電解質体の内底部に接するようにヒータ素子を設置する。次いで、基準電極リード線、検知電極リード線及びヒータ素子リード線を温度制御装置に接続し、可燃性ガス濃度測定装置を得る。
【００９３】
（２）測定条件及びセンサ出力の測定
測定条件は以下のようである。
・ガス組成：
▲１▼ベースガス：Ｏ2＝１％、７％、１５％、ＣＯ2＝１０％、Ｈ2Ｏ＝１０％、Ｎ2＝バランス
▲２▼被検ガス：プロピレン（Ｃ3Ｈ6）＝０ppmＣ、１００ppmＣ、３００ppmＣ、５００ppmＣ（＊「ppmＣ」は、プロピレンのＣ換算での濃度（ppm）を示す。）
・ガス温度：３００℃
・ガス流量：１５Ｌ／分
被検ガス中の酸素濃度をＯ2＝１％、７％、１５％と変化させて、各条件におけるセンサ出力（Ｓm）の測定結果を表１に示す。酸素濃度７％における各ガス濃度におけるセンサ出力（Ｓm）をプロットしたマップを図１２に示す。なお、被検ガス濃度が０ppmＣにおけるセンサ出力は誤差出力（Ｓz）に該当する。
【００９４】
【表１】
（３）誤差出力（Ｓz）用マップの作製
まず、センサ出力から酸素濃度に起因する誤差を除去するための誤差出力補正用のマップを作製する。各酸素濃度における誤差出力（Ｓz）の測定結果（表１のＣ3Ｈ6濃度が０ppmＣのときのデータ）をプロットしたマップを図８に示す。
【００９６】
前述したように、酸素濃度と誤差出力（Ｓz）の関係式は、ネルンストの式に従う。上記測定結果から最小二乗法により求めた近似式のプロットを測定結果と併せてマップ図８に示す。近似式は、Ｓz＝−１５．０９Ｌｎ（Ｏc）＋４０．１０９で表わされ、理論通りネルンストの式に従っていることがわかる。１に近いほど実測データと得られた近似式の相関性が高いことを示す相関係数であるＲ2の値を算出したところ、０．９９６２と極めて相関性が高い結果である。本例のように相関性が高い場合は、近似式を用いても良好な結果が得られる。
【００９７】
マップから求めた誤差出力（Ｓz）をセンサ出力（Ｓm）から減ずれば、センサ感度出力（Ｓs）が求められる。酸素濃度７％における各ガス濃度におけるセンサ感度出力（Ｓs）をプロットしたマップを図９に示す。
【００９８】
（４）換算ガス濃度（Ｃc）用マップの作製
次いで、センサ感度出力（Ｓs）を可燃性ガス成分の濃度に換算して換算ガス濃度（Ｃc）を得るための換算ガス濃度（Ｃc）用マップを作製する。
【００９９】
任意の酸素濃度を選択して、被検ガスを、プロピレン（Ｃ3Ｈ6）＝０ppmＣ、１００ppmＣ、３００ppmＣ、５００ppmＣと変化させて、それらに対応するセンサ感度出力（Ｓs）を求める。各ガス濃度におけるセンサ感度出力（Ｓs）は、表１に既に示した結果を用いて求める。この中から任意の酸素濃度におけるデータを選択する。ここでは酸素濃度７％におけるデータを選択するものとする。上記測定結果とともに、最小二乗法により求めた近似式のプロットをマップ図９に示す。
【０１００】
前述したように、ガス濃度とセンサ感度出力（Ｓs）の関係式は、経験上３次式で近似できる。酸素濃度７％におけるデータから得られる近似式は、Ｃc＝０．０００２１６（Ｓs）3−０．０２６４５９（Ｓs）2＋２．０００４３９（Ｓs）で表わされる。１に近いほど実測データと得られた近似式の相関性が高いことを示す相関係数であるＲ2の値を算出したところ、１．００００と極めて相関性が高い結果である。本例のように相関性が高い場合は、近似式を用いて換算しても良好な結果が得られる。
【０１０１】
このマップを用いて誤差出力（Ｓz）をセンサ出力から減じて得られるセンサ感度出力（Ｓs）を可燃性ガス成分の濃度（換算ガス濃度（Ｃc））に換算することができる。本例のように相関性が極めて高い場合は、近似式を用いて換算しても良好な結果が得られる。換算した結果を表２に示す。
【０１０２】
【表２】
（５）補正係数（Ｋi）用マップの作製
得られた換算ガス濃度（Ｃc）と実際のガス成分の添加濃度とを一対一でプロットする。更に図１０に示すように、各酸素濃度毎に切片を０とする直線近似を行い、その傾き（Δ）を求める。この傾きの逆数（１／Δ）を求め、これを補正係数（Ｋi）とする。この補正係数（Ｋi）と対応する酸素濃度（Ｏc）との関係を表３に示す。
【０１０４】
【表３】
前述したように、補正係数（Ｋi）と対応する酸素濃度（Ｏc）の関係式は、経験上２次式で近似できる。上記測定結果を最小二乗法により求めた近似式のプロットと併せて図１１に示す。近似式は、Ｋi＝−０．００２９４（Ｏc）2＋０．１２７２４（Ｏc）＋０．２５６００で表わされる。１に近いほど実測データと得られた近似式の相関性が高いことを示す相関係数であるＲ2の値を算出したところ、１．００００と極めて相関性が高い結果である。本例のように相関性が高い場合は、近似式を用いても良好な結果が得られる。
【０１０６】
（６）可燃性ガス濃度（Ｃm）の算出
得られた補正係数（Ｋi）を換算ガス濃度（Ｃc）に乗じて補正して、所望のガス濃度（Ｃm）を得る。補正後の結果を表４に示す。
【０１０７】
【表４】
（実施例２）
以下の測定条件にて酸素濃度補正を行った場合と行わない場合との比較実験を行う。用いたマップは、実施例１で作製したものを用いる。
測定条件は以下のようである。以下の条件に従って、実施例１と同様の方法で行う。
・ガス組成：
▲１▼ベースガス：Ｏ2＝１％、４％、７％、１０％、１５％、ＣＯ2＝１０％、Ｈ2Ｏ＝１０％、Ｎ2＝バランス
▲２▼被検ガス：プロピレン（Ｃ3Ｈ6）＝０ppmＣ、１００ppmＣ、３００ppmＣ、５００ppmＣ（＊「ppmＣ」は、プロピレンのＣ換算での濃度（ppm）を示す。）
・ガス温度：３００℃
・ガス流量：１５Ｌ／分
【０１０９】
酸素濃度補正を行った場合の結果を表５〜表９に示す。表５は、センサ出力の測定値である。表６は、マップから求めた誤差出力（Ｓz）と補正係数（Ｋi）と各酸素濃度の関係である。表７は、表６の値を用いて得られたセンサ感度出力（Ｓs）である。表８は、表７のセンサ感度出力（Ｓs）をマップを用いて換算した換算ガス濃度（Ｃc）である。表９は、表８の換算ガス濃度（Ｃc）に表６の補正係数（Ｋi）を乗じて得られた目的とするガス濃度（Ｃm）である。
【０１１０】
一方、酸素濃度補正を行わないで、図１２に示した酸素濃度７％におけるセンサ出力（Ｓm）とプロピレン濃度のマップを用いて、センサ出力（Ｓm）をガス濃度（Ｃm）に換算した比較例の結果を表１０に示す。
【０１１１】
【表５】
【表６】
【表７】
【表８】
【表９】
【表１０】
これらの結果より、本発明の一態様であるガス濃度測定装置を用いれば、被検ガス中の酸素濃度が変化しても、可燃性ガス成分の濃度が高精度に測定できることがわかる。
【０１１８】
（実施例３）
図２に示す積層板型センサ素子を用いた例である。
（１）．積層板型センサ素子の作製
ＹＳＺからなるグリーンシートを２枚用意する。１枚に検知電極リード部、酸素基準電極をＰｔペーストをスクリーン印刷することより形成する。他の１枚の対向する面に基準電極と内部抵抗測定用電極をＰｔペーストをスクリーン印刷することより形成する。この２枚のグリーンシートを、基準電極が内側になるように積層圧着してクリーン体を形成する。なお、積層圧着する際、接着用溶剤を積層圧着面に予め塗布して積層圧着を容易にしておくが、別法として、積層圧着時に溶解するステアリルアルコール、ステアリン酸等の低融点樹脂を代わりに添加しても良好な積層圧着が可能となる。このグリーン体を焼成して一体化してセンサ素子焼結体を得る。
【０１１９】
次いで、検知電極を形成する箇所に有機金化合物からなるペーストを塗布して、大気雰囲気中８８０℃で１０分間焼き付けて第１電極層を形成する。更に、平均粒径１μｍの金粉末と酸化インジウム粉末を９：１の重量比で含有する導電ペーストを塗布して、大気雰囲気中８８０℃で１時間焼き付けて第２電極層を形成する。そして、センサ素子の表面にスピネルを溶射して拡散層を形成する。
【０１２０】
センサ素子のうち、加熱が必要な箇所にヒータ素子を設置する。そして、基準電極リード線、検知電極リード線及び内部抵抗測定用電極リード線を温度制御手段に接続し、積層板型の可燃性ガス濃度測定装置を得る。同様な方法により炭化水素ガス濃度測定装置を得る。
【０１２１】
（２）酸素濃度の検出試験
酸素濃度とプロピレン濃度とを変化させながら、基準電極と酸素濃度検知電極の間に発生する起電力の測定をする。結果を図１３に示す。この結果より、得られる起電力は、プロピレン濃度の影響を受けることなく、酸素濃度にのみ影響されて変化することがわかる。この基準電極と酸素濃度検知電極とこれらの電極に挟まれた固体電解質とこれらの部分から発生する起電力の測定をする酸素濃度測定装置とを酸素濃度検出手段に用いて酸素濃度を検出して、得られた酸素濃度データを用いて補正を行うことができることがわかる。
【０１２２】
これらの装置により、有底円筒型の固体電解質体を備える可燃性ガス濃度測定装置と同様に酸素濃度依存性が小さく、被測定ガスの温度に対する依存性が小さい、鋭敏な感知能力及び正確な測定能力が得られる。
【０１２３】
【発明の効果】
本発明によれば、高濃度で存在する酸素、酸素の濃度変化、被測定ガス温度等による影響を受け難く、混合ガス中から所望の可燃性ガス又は炭化水素ガスを選択的に測定することができ、更には、安定して、鋭敏に且つ正確にこれらを測定できるガス濃度測定装置を提供することができる。被検ガスの酸素濃度に左右されることなく、真のガス濃度に対応する正確な出力信号を得ることが可能なガス濃度測定装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一態様である筒型センサ素子を用いたガス濃度測定装置の説明図。
【図２】本発明の一態様である積層板型センサ素子を用いたガス濃度測定装置の説明図。
【図３】本発明の一態様であるガス濃度測定装置のＳ１〜Ｓ５からなるステップの説明図。
【図４】本発明の一態様であるガス濃度測定装置のＳ１１〜Ｓ１７からなるステップの説明図。
【図５】本発明の一態様であるガス濃度測定装置のＳ１１、Ｓ１２０、Ｓ１３〜Ｓ１７からなるステップの説明図。
【図６】本発明の一態様であるガス濃度測定装置のＳ１１、Ｓ１２０、Ｓ１３、Ｓ１４、Ｓ１５０、Ｓ１６及びＳ１７からなるステップの説明図。
【図７】本発明の一態様であるガス濃度測定装置のＳ１１、Ｓ１２０、Ｓ１３、Ｓ１４、Ｓ１５０、Ｓ１６０及びＳ１７からなるステップの説明図。
【図８】各酸素濃度における誤差出力（Ｓz）の測定結果及び最小二乗法により求めた近似式をプロットしたマップ。
【図９】酸素濃度７％における各ガス濃度におけるセンサ感度出力（Ｓs）の測定結果及び最小二乗法により求めた近似式をプロットしたマップ。
【図１０】換算ガス濃度（Ｃc）と実際のガス成分の添加濃度の測定結果及び最小二乗法により求めた近似式のプロットしたマップ。
【図１１】補正係数（Ｋi）と対応する酸素濃度（Ｏc）の測定結果及び最小二乗法により求めた近似式のプロットしたマップ。
【図１２】酸素濃度７％における各ガス濃度におけるセンサ出力（Ｓm）をプロットしたマップ
【図１３】積層板型センサ素子の基準電極と酸素濃度検知電極の間に発生する起電力の測定結果を示すグラフ。
【図１４】酸素濃度データをエンジン制御用の全領域酸素センサ（ＵＥＧＯセンサ）から得る場合におけるエンジン制御方法の説明図。
【図１５】酸素濃度データを運転条件（回転数、燃料消費量等）のデータから得る場合におけるエンジン制御方法の説明図。
【図１６】ディーゼルエンジンの排気ガスを浄化するシステムの例を示す説明図。
【図１７】ディーゼルエンジンの排気ガスを浄化するシステムの例を示す説明図。
【図１８】ディーゼルエンジンの排気ガスを浄化するシステムの例を示す説明図。
【符号の説明】
Ｓ１、Ｓ１１ 酸素濃度検出手段から得た被検ガスの酸素濃度（Ｏc）を検出するステップ。
Ｓ２、Ｓ１３ ガス濃度検出手段から得た被検ガス中のガス濃度に対応するセンサ出力（Ｓm）を検出するステップ。
Ｓ３ 酸素濃度（Ｏc）とセンサ出力（Ｓm）とに基づいて、対応する換算ガス濃度（Ｃc）を求めるステップ。
Ｓ４ 被検ガス中の酸素濃度（Ｏc）に対応する補正係数（Ｋi）を得るステップ。
Ｓ５ 被検ガス中の酸素濃度（Ｏc）に対応する補正係数（Ｋi）を用いて、換算ガス濃度（Ｃc）を補正して、目的とする所定のガス濃度（Ｃm）を得るステップ。
Ｓ１２ 酸素濃度検出手段から取得された酸素濃度（Ｏc）の検出値に基づいて、被検ガスのガス成分が実質的に０の場合における誤差出力（Ｓz）を得るステップ。
Ｓ１２０ 酸素濃度（Ｏc）とそれに対応する誤差出力（Ｓz）との関係を示す関数式又はマップを作製して予め記憶しておき、その関数式又はマップに基づいて、酸素濃度（Ｏc）の検出値に対応する誤差出力（Ｓz）を得るステップ。
Ｓ１４ ガス濃度検出手段から取得されたセンサ出力（Ｓm）から誤差出力（Ｓz）を減じてセンサ感度出力（Ｓs）を得るステップ。
Ｓ１５ センサ感度出力（Ｓs）に基づいて換算ガス濃度（Ｃc）を得るステップ。
Ｓ１５０ 所定の酸素濃度（Ｏc）におけるガス濃度とそれに対応するセンサ感度出力（Ｓs）との関係を示す関数式又はマップを作製して予め記憶しておき、その関数式又はマップに基づいて、センサ感度出力（Ｓs）の検出値に対応する換算ガス濃度（Ｃc）を得るステップ
Ｓ１６ 酸素濃度（Ｏc）の検出値に基づいて、対応する補正係数（Ｋi）を得るステップ。
Ｓ１６０ 所定の酸素濃度（Ｏc）に対応する補正係数（Ｋi）との関係を示す関数式又はマップを作製して予め記憶しておき、その関数式又はマップに基づいて対応する補正係数（Ｋi）を求めるステップ。
Ｓ１６１ 所定の酸素濃度（Ｏc）に対応する換算ガス濃度（Ｃc）とそれに対応するガス濃度との関係をプロットし、各酸素濃度毎に切片を０とする直線近似処理を行って得られた傾き（Δ）の逆数を補正係数（Ｋi）として、酸素濃度（Ｏc）に対応する補正係数（Ｋi）との関係を示す関係式又はマップを作製して予め記憶しておき、その関数式又はマップに基づいて対応する補正係数（Ｋi）を求めるステップ
Ｓ１７ 換算ガス濃度（Ｃc）に、酸素濃度に対応する補正係数（Ｋi）を乗じて、所定のガス濃度（Ｃm）を得るステップ。
１ 筒型センサ素子
１０１ 積層板型センサ素子
２、１４ 固体電解質
３、１５ 基準電極
４、１７ 第１電極層
５、１６ 第２電極層
６、１８ 検知電極
７、７０ ヒータ素子
８ センサ出力測定装置兼内部抵抗測定装置
８０ センサ出力測定装置
８１ 内部抵抗測定装置
９ 酸素濃度測定手段
９０ 酸素濃度測定装置
１０、１００ ヒータ制御装置
１１、１１０ ＣＰＵ
１２、１２０ センサコントローラ
１３、２１ 拡散層
１９ 酸素濃度検知電極
２０ 内部抵抗測定電極
Claims (8)
- 酸素イオン導電性を有する固体電解質と、該固体電解質に形成された基準電極及び検知電極と、該固体電解質を加熱するヒータ素子とを備えるセンサ素子を用いた可燃性ガス濃度測定装置であって、
被検ガスの酸素濃度（Ｏc）を検出するステップを行う酸素濃度検出手段と、
被検ガスに含まれる可燃性ガスのガス濃度を検出するステップを行うガス濃度検出手段と、
該酸素濃度検出手段の検出値である酸素濃度（Ｏc）と該ガス濃度検出手段の検出値であるセンサ出力（Ｓm）とに基づいて、対応する換算ガス濃度（Ｃc）を得るステップを行うガス濃度換算手段と、
該酸素濃度（Ｏc）に対応する補正係数（Ｋi）を得るステップを行う補正係数算出手段と、
該補正係数（Ｋi）を用いて該換算ガス濃度（Ｃc）を補正して、所定のガス濃度（Ｃm）を得るステップを行う補正手段と、
を備えることを特徴とする可燃性ガス濃度測定装置。 - 酸素イオン導電性を有する固体電解質と、該固体電解質に形成された基準電極及び検知電極と、該固体電解質を加熱するヒータ素子とを備えるセンサ素子を用いた可燃性ガス濃度測定装置であって、
該基準電極と該検知電極の間に発生する起電力に基づいて被検ガスに含まれる可燃性ガスのガス濃度を検出するステップを行うガス濃度検出手段と、
被検ガスの酸素濃度（Ｏc）を検出するステップを行う酸素濃度検出手段と、
該ヒータ素子への通電量を制御する温度制御手段と、
該酸素濃度検出手段の検出値である酸素濃度（Ｏc）と該ガス濃度検出手段の検出値であるセンサ出力（Ｓm）とに基づいて、対応する換算ガス濃度（Ｃc）を得るステップを行うガス濃度換算手段と、
該酸素濃度（Ｏc）に対応する補正係数（Ｋi）を得るステップを行う補正係数算出手段と、
該補正係数（Ｋi）を用いて該換算ガス濃度（Ｃc）を補正して、所定のガス濃度（Ｃm）を得るステップを行う補正手段と、
を備えることを特徴とする可燃性ガス濃度測定装置。 - 酸素イオン導電性を有する固体電解質と、該固体電解質に形成された基準電極、検知電極及び酸素濃度検知電極と、該固体電解質を加熱するヒータ素子とを備えるセンサ素子を用いた可燃性ガス濃度測定装置であって、
該基準電極と該酸素濃度検知電極の間に発生する起電力に基づいて被検ガスの酸素濃度（Ｏc）を検出するステップを行う酸素濃度検出手段と、
該基準電極と該検知電極の間に発生する起電力に基づいて被検ガスに含まれる可燃性ガスのガス濃度を検出するステップを行うガス濃度検出手段と、
該ヒータ素子への通電量を制御する温度制御手段と、
該酸素濃度検出手段の検出値である酸素濃度（Ｏc）と該ガス濃度検出手段の検出値であるセンサ出力（Ｓm）とに基づいて、対応する換算ガス濃度（Ｃc）を得るステップを行うガス濃度換算手段と、
該酸素濃度（Ｏc）に対応する補正係数（Ｋi）を得るステップを行う補正係数算出手段と、
該補正係数（Ｋi）を用いて該換算ガス濃度（Ｃc）を補正して、所定のガス濃度（Ｃm）を得るステップを行う補正手段と、
を備えることを特徴とする可燃性ガス濃度測定装置。 - 以下の（Ｓ１２）、（Ｓ１４）、（Ｓ１５）、（Ｓ１６）、（Ｓ１７）のステップを行う手段を含むことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の可燃性ガス濃度測定装置。
酸素濃度検出手段から取得された前記酸素濃度（Ｏｃ）の検出値に基づいて、被検ガスに含まれる可燃性ガスのガス成分が実質的に０の場合における誤差出力（Ｓｚ）を得るステップ（Ｓ１２）を行う誤差出力選択手段。
ガス濃度検出手段から取得された前記センサ出力（Ｓｍ）から該誤差出力（Ｓｚ）を減じてセンサ感度出力（Ｓｓ）を得るステップ（Ｓ１４）を行うセンサ感度出力算出手段。
該センサ感度出力（Ｓｓ）に基づいて換算ガス濃度（Ｃｃ）を得るステップ（Ｓ１５）を行うガス濃度換算手段。
前記酸素濃度（Ｏｃ）の検出値に基づいて、対応する補正係数（Ｋｉ）を得るステップ（Ｓ１６）を行う補正係数算出手段。
該換算ガス濃度（Ｃｃ）に前記補正係数（Ｋｉ）を乗じて、所定のガス濃度（Ｃｍ）を得るステップ（Ｓ１７）を行うガス濃度補正手段。 - 前記（Ｓ１２）のステップを行う手段が、以下の（Ｓ１２０）のステップを行う手段であることを特徴とする請求項４に記載の可燃性ガス濃度測定装置。
酸素濃度（Ｏc）とそれに対応する誤差出力（Ｓz）との関係を示す関数式又はマップを作製して予め記憶しておき、その関数式又はマップに基づいて、酸素濃度検出手段により取得された前記酸素濃度（Ｏc）の検出値に対応する前記誤差出力（Ｓz）を得るステップ（Ｓ１２０）を行う誤差出力選択手段。 - 前記ガス濃度換算手段が、以下の（Ｓ１５０）のステップを行う手段であることを特徴とする請求項４又は５に記載の可燃性ガス濃度測定装置。
所定の酸素濃度（Ｏｃ）におけるガス濃度とそれに対応するセンサ感度出力（Ｓｓ）との関係を示す関数式又はマップを作製して予め記憶しておき、その関数式又はマップに基づいて、取得された前記センサ感度出力（Ｓｓ）の検出値に対応する前記換算ガス濃度（Ｃｃ）を得るステップ（Ｓ１５０）を行うガス濃度換算手段。 - 前記補正係数算出手段が、以下の（Ｓ１６０）のステップを行う手段であることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の可燃性ガス濃度測定装置。
所定の酸素濃度（Ｏc）に対応する前記補正係数（Ｋi）との関係を示す関数式又はマップを作製して予め記憶しておき、その関数式又はマップに基づいて対応する補正係数（Ｋi）を求めるステップ（Ｓ１６０）を行う補正係数算出手段。 - 前記補正係数算出手段が、以下の手段であることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の可燃性ガス濃度測定装置。
所定の酸素濃度（Ｏｃ）に対応する換算ガス濃度（Ｃｃ）とそれに対応するガス濃度との関係をプロットし、各酸素濃度毎に切片を０とする直線近似処理を行って得られた傾き（Δ）の逆数を補正係数（Ｋｉ）として、酸素濃度（Ｏｃ）に対応する補正係数（Ｋｉ）との関係を示す関係式又はマップを作製して予め記憶しておき、その関数式又はマップに基づいて対応する補正係数（Ｋｉ）を求めるステップを行う補正係数算出手段。
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