JPH0419557A - 雰囲気成分の濃度および種別を決定するための改善された装置および方法 - Google Patents
雰囲気成分の濃度および種別を決定するための改善された装置および方法Info
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- JPH0419557A JPH0419557A JP2411861A JP41186190A JPH0419557A JP H0419557 A JPH0419557 A JP H0419557A JP 2411861 A JP2411861 A JP 2411861A JP 41186190 A JP41186190 A JP 41186190A JP H0419557 A JPH0419557 A JP H0419557A
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
［０００１］
本発明は雰囲気成分の測定に関するものであり、特に固
体電解質センサを使用するこの種の測定に関する。 ［０００２］ 固体ないし中実の電解質センサはエンジンやそのほかの
燃焼プロセからの排気ガスをモニターし、試験雰囲気の
酸素の百分率を認定するのに広範囲に使用されている。 この測定から燃焼プロセスの効率が決定できる。反応性
ガスや水蒸気が酸素の読みの正確さに悪影響を与える。 本発明に至るまで認識されていなかったことは、測定に
とって一般に有害と考えられていたこの現象が既知の酸
素濃度を有する試験雰囲気中の成分の濃度および種別を
決定するのに利用できるということである。 ［０００３］ 簡単に述べれば、本発明の一様相において、既知の酸素
濃度を有する試験雰囲気の成分の濃度および種別を認定
するための手段が提供される。第１および第２電極間に
挿入されそしてこれと接触状態の第１の固体電解質壁を
有しそして第３および第４電極間に挿入されこれと接触
状態の第２の固体電解質壁を有する一つの固体電解質酸
素センサを使用する。第１および第２電解質壁間に隔壁
がある。 第１のガスチャンバが隔壁および第１電解質壁間に形成
される。隔壁および第２電解質壁は第２のガスチャンバ
を形成する。第１ガスアパーチヤが、試験ガスが周囲雰
囲気から第１ガスチャンバに向かって通過するのを許容
し、また隔壁の第２ガスアパーチヤが、ガスが第１およ
び第２ガスチャンバ間を通過するのを許容する。第１電
極は第１ガスチャンバ内のガスに露呈されまた第３電極
は第２ガスチャンバ内のガスに露呈される。第２および
第４電極は周囲試験ガスに露呈される。 ［０００４］ 第１の負電圧が第１および第２電極間に印加され酸素の
電気化学的ポンプ作用を引き起こし、第１の電流が第１
電解質壁を通じて流れるようにする。同時に、起電力（
ネルンスト電圧）が第３および第４電極間で測定される
。第１の負電圧は、第１電流が第１電流平坦域にあるよ
うな大きさを有する。第１電流の大きさは測定される。 ［０００５］ 第１電流の大きさおよび起電力（ネルンスト電圧）値の
種々の組み合わせを表す数のペアと、一つまたそれ以上
の成分の内の対応する種別および濃度を相関付ける表が
用意される。測定された第１の大きさの電流および起電
力の大きさが表中の数のペアと合わせられそして一つま
たはそれ以上の成分の対応する種別および濃度が認定さ
れる。 ［０００６］ 本発明の別の様相は、還元成分および酸素間の比がガス
混合物の化学量論数を越えるところの空気などの知られ
る酸素濃度を有するガス混合物における還元成分の濃度
および種別を提供することである。この場合、第１の正
電圧が第１および第２電極を横切って印加される。第１
電圧の大きさは、第１の限界電流を発生するのに十分高
いが、この飽和電流条件を越えるのに十分なほどには高
くなり）。 同時に、起電力（ネルンスト電圧）が第３および第４電
極間で測定される。 ［０００７］ 第１電流の平坦域および起電力値の種々の組み合わせを
表わす数のペアと、一つまたはそれ以上の成分の内の対
応する種別および濃度を相関付ける表が用意される。第
１電流の測定された平坦域と起電力の大きさが表中の数
のペアと合わせられそして一つまたはそれ以上の成分の
対応する濃度および種別が認定される。 ［０００８］ 本発明の別の様相において、既知の酸素濃度を有するガ
ス混合物における還元ガスの濃度または水素等価形濃度
が決定できる。第１の負電圧が第１および第２電極間に
印加されそして第２負電圧が第３および第４電極間に印
加される。第２電圧は、第２電流を生成しそしてその大
きさおよび符号（＋／−）が測定される［０００９］ 種々のガス成分について電流値対ガス濃度のプロット図
が与えられる。第２電流の測定された大きさおよび符号
は、あるプロット点における電流の値および符号と合わ
せられそしてその濃度または水素等価形濃度が決定でき
る。 ［００１０］
体電解質センサを使用するこの種の測定に関する。 ［０００２］ 固体ないし中実の電解質センサはエンジンやそのほかの
燃焼プロセからの排気ガスをモニターし、試験雰囲気の
酸素の百分率を認定するのに広範囲に使用されている。 この測定から燃焼プロセスの効率が決定できる。反応性
ガスや水蒸気が酸素の読みの正確さに悪影響を与える。 本発明に至るまで認識されていなかったことは、測定に
とって一般に有害と考えられていたこの現象が既知の酸
素濃度を有する試験雰囲気中の成分の濃度および種別を
決定するのに利用できるということである。 ［０００３］ 簡単に述べれば、本発明の一様相において、既知の酸素
濃度を有する試験雰囲気の成分の濃度および種別を認定
するための手段が提供される。第１および第２電極間に
挿入されそしてこれと接触状態の第１の固体電解質壁を
有しそして第３および第４電極間に挿入されこれと接触
状態の第２の固体電解質壁を有する一つの固体電解質酸
素センサを使用する。第１および第２電解質壁間に隔壁
がある。 第１のガスチャンバが隔壁および第１電解質壁間に形成
される。隔壁および第２電解質壁は第２のガスチャンバ
を形成する。第１ガスアパーチヤが、試験ガスが周囲雰
囲気から第１ガスチャンバに向かって通過するのを許容
し、また隔壁の第２ガスアパーチヤが、ガスが第１およ
び第２ガスチャンバ間を通過するのを許容する。第１電
極は第１ガスチャンバ内のガスに露呈されまた第３電極
は第２ガスチャンバ内のガスに露呈される。第２および
第４電極は周囲試験ガスに露呈される。 ［０００４］ 第１の負電圧が第１および第２電極間に印加され酸素の
電気化学的ポンプ作用を引き起こし、第１の電流が第１
電解質壁を通じて流れるようにする。同時に、起電力（
ネルンスト電圧）が第３および第４電極間で測定される
。第１の負電圧は、第１電流が第１電流平坦域にあるよ
うな大きさを有する。第１電流の大きさは測定される。 ［０００５］ 第１電流の大きさおよび起電力（ネルンスト電圧）値の
種々の組み合わせを表す数のペアと、一つまたそれ以上
の成分の内の対応する種別および濃度を相関付ける表が
用意される。測定された第１の大きさの電流および起電
力の大きさが表中の数のペアと合わせられそして一つま
たはそれ以上の成分の対応する種別および濃度が認定さ
れる。 ［０００６］ 本発明の別の様相は、還元成分および酸素間の比がガス
混合物の化学量論数を越えるところの空気などの知られ
る酸素濃度を有するガス混合物における還元成分の濃度
および種別を提供することである。この場合、第１の正
電圧が第１および第２電極を横切って印加される。第１
電圧の大きさは、第１の限界電流を発生するのに十分高
いが、この飽和電流条件を越えるのに十分なほどには高
くなり）。 同時に、起電力（ネルンスト電圧）が第３および第４電
極間で測定される。 ［０００７］ 第１電流の平坦域および起電力値の種々の組み合わせを
表わす数のペアと、一つまたはそれ以上の成分の内の対
応する種別および濃度を相関付ける表が用意される。第
１電流の測定された平坦域と起電力の大きさが表中の数
のペアと合わせられそして一つまたはそれ以上の成分の
対応する濃度および種別が認定される。 ［０００８］ 本発明の別の様相において、既知の酸素濃度を有するガ
ス混合物における還元ガスの濃度または水素等価形濃度
が決定できる。第１の負電圧が第１および第２電極間に
印加されそして第２負電圧が第３および第４電極間に印
加される。第２電圧は、第２電流を生成しそしてその大
きさおよび符号（＋／−）が測定される［０００９］ 種々のガス成分について電流値対ガス濃度のプロット図
が与えられる。第２電流の測定された大きさおよび符号
は、あるプロット点における電流の値および符号と合わ
せられそしてその濃度または水素等価形濃度が決定でき
る。 ［００１０］
第１図は、本発明を実施するのに適当な酸素センサ１０
０の模式図である。センサ１００は電極１１１．１１２
および電極２１１．２１２の２つのペアを備え、それぞ
れのペアは２つの固体ないし中実の電解質壁１１３およ
び２１３の対向側部に配置する。各電極は、固体電解質
の面に被着された導電性セラミックまたはプラチナなど
の金属層とすることができる。固体電解質は、いずれの
酸素伝導材料とすることもできるが、好ましくはイツト
リアまたはカルシアで安定化されたジルコニアまたはこ
れと同様にドープされたセリアである。電極の両方のペ
ア１１１．１１２および２１１．２１２は、以後それぞ
れ第１、第２、第３および第４電極と呼ばれ、これらは
、試験雰囲気１０４と呼ばれる試験されるべきガス状媒
体に露呈される。 ［００１１］ ２つの電極ペアを分離する隔壁１２７がある。隔壁１２
７は、その熱−機械的性質が壁１１３および２１３のそ
れと合っており且つその電気抵抗率が２つの電極ペアが
互いに電気的に絶縁されるのに十分なほど高いかぎり、
いずれの材料とすることもできる。好ましい材料はイツ
トリアまたはカルシアで部分的に安定化されたジルコニ
アである。第１電極壁１１３および隔壁１２７は、周囲
ガスへ開放しているガスアパーチャ１１８を有する第１
ガスチャンバ１１４を包囲する。 第２電極壁２１３および隔壁１２７は、第１ガスチャン
バ１１４へ開放しているガスアパーチャ２１８を有する
第２ガスチャンバ２１４を包囲している。レイアウトの
違いを除いて、一つのこの種センサの構成の詳細は、ガ
ス感知装置についてのＷａｎｇ、 ＭａｃＡｌｌｉｓｔ
ｅｒおよびＫｅｎｎｅｄｙによる米国特許第４．８９７
．１７４号（１９９０年１月３０日発行）により開示さ
れるのと類似している。 ［００１２］ 本発明の方法を実施するために、試験雰囲気は、ガスと
混合する前に既知の濃度の酸素を包含すべきであり、そ
して反応性ガスまたは水蒸気などの未知の成分を持った
空気とし得る。本方法の目的は、未知成分の濃度および
種別を決定することである。センサ１００全体が試験雰
囲気に浸される。十分な負の電圧が第１電極１１１およ
び第２電極１１２間に印加されるとき、酸素は試験雰囲
気１１４から固体電解質壁１１３を通じてガス状媒体１
０４へ送り込まれる。この電圧はポンピング電圧と呼ば
れそして電源１１６により与えられる。 ［００１３］ これに応答して、電流が固体電解質壁１１３を通じて流
れる。この電流は酸素限界電流と呼ばれる。この酸素限
界電流は、ポンピング電源１１６およびセンサと直列の
抵抗１１７を横切る電圧を測定することにより決定し得
る。従来の酸素センサ測定においては、電流は試験雰囲
気における酸素の濃度の関数である。 ［００１４］ 広範囲のポンピング電圧について酸素電流がその限界レ
ベルにある、すなわちポンピング電圧が広範囲にわたり
変化してもほとんど一定である、ような仕方で試験雰囲
気１０４から第１電極１１１へ向かうガス流を制限する
ために、小さなアパーチャまたはガス透過性のメンブレ
ンである物理的な障害物１１８が試験雰囲気１０４およ
び第１電極１１１の面間に提供する。 ［００１５］ 同様に、小さなアパーチャまたはガス透過性メンブレン
とすることができる物理的な障害物２１８を提供し、チ
ャンバ２１４のガスをチャンバ１１４のガスから分離す
る。障害物２１８はセル間のガスの流れを制限しそして
正確な読みを行うために必要である。 ［００１６］ 電流平坦域という現象は第２（ａ）図および第２（ｂ）
図の曲線により図示されており、ここで２つの平坦域が
メタン−空気ガス混合物および水素−空気ガス混合物に
ついて生じている。両方の場合について、第１限界電流
は４００ｍＶおよび１３００ｍＶ間のポンピング電圧に
ついて生ずる。第２限界電流は約１８００ｍＶないし２
５００ｍＶ間のポンピング電圧で生ずる。 ［００１７］ この種酸素センサの重要な性質は、試験雰囲気の水蒸気
などの完全被酸化ガスまたは反応性ガスの存在下で、固
体電解質壁を通ずる電流はポンピング電圧の２つの範囲
について、もし試験雰囲気成分濃度およびセンサの温度
などそのほかのすべてのパラメータが一定であれば、は
とんど一定であることである。電流がほとんど一定であ
る２つの範囲のそれぞれについて、電流は電流限界平坦
域にあるといわれる。 ［００１８］ ２つの平坦域のうちの下方のものは、低いポンピング電
圧では試験雰囲気の水蒸気または反応性ガスの存在は、
固体電解質壁を通じて電気化学的に送られる酸素量を低
下させ、それゆえこれに対応して電流を制限するので、
生ずる。試験雰囲気の水蒸気または反応性ガスの濃度が
高ければ、限界電流平坦域は低くなる。 その理由は、反応性ガスの場合、低ポンピング電圧では
ガスは電極で酸素と触媒反応するからである。完全被酸
化ガスの場合は、試７験ガスの酸素濃度は被酸化ガスに
より薄められるからである。 ［００１９］ 低平坦域のレベルは、空気−メタンおよび空気−水素の
種々の混合物について第３（ａ）図および第３（ｂ）図
に図示されているように、試験雰囲気の反応性ガスの濃
度および種別に依存する。 ［００２０］ ２つの平坦域の上方のものは、高ポンピング電圧では、
ガスを含む接触反応は電気化学的に停止せられるかまた
は完全被酸化ガスは電気化学的に分解されるので生ずる
。高平坦域のレベルもまた、空気−メタンおよび空気−
水素のガス混合物について第２（ａ）図および第２（ｂ
）図に図示されているように、試験雰囲気の反応性ガス
の濃度および種別に依存する。 ［００２１］ 反応性ガスは、メタンおよび水素に限定される必要はな
く、いずれのガスとすることもできる。 ［００２２］ 第１および第２電極が酸素を電気化学的に送るのに従事
している間、第３および第４電極（２１１および２１２
）は起電力（ネルンスト電圧）を測定するのに使用でき
る。電極１１１および１１２で生ずる電気化学的なポン
プ作用により、チャンバ１１４および２１４における酸
素活量は周囲ガス１０４におけるそれとは異なる。それ
ゆえ、ネルンストの原理に基づき、ある起電力が電極２
１１および電極２１２を横切って発生する。その大きさ
は、それぞれ電極１１１および１１２を横切って電流平
坦域を発生する２つのポンピング電圧範囲に対応して、
２つの成分に分割できる。空気−メタンガス混合物につ
いて標準的な結果が第２（Ｃ）図に図示されている。 ［００２３］ 異なるガスが異なる起電力値を有する。比較のために、
空気−水素ガス混合物が発生する起電力を第２（ｄ）図
に与える。第３（ａ）図および第３（ｂ）図では、電流
（低平坦域）とこれに対応した起電力の読み（ネルンス
ト電圧）の両方が空気中の種々の量のメタンおよび水素
について与えられている。外側のセルはチャンバ１１４
に対応しそして内側のセルはチャンバ２１４に対応して
いる。 ［００２４］ 本発明の全実施例に共通の特徴として、試験雰囲気は一
つのポンピング電圧および一つの起電力の読みで試験さ
れる。低ポンピング電圧は、第１電極ペアについて酸素
限界電流が低平坦域にあるような大きさであるよう選択
される。電流の大きさは測定される。酸素の送りが継続
している間、起電力が第２の電極ペアより測定される。 もし酸素濃度および温度など、そのほかのすべてのパラ
メータが一定であれば、電流レベルおよび起電力の大き
さは未知の成分の濃度および種別により決定される。そ
の逆もまた成り立つ。未知の成分の濃度および種別の両
方が、測定された電流および起電力のレベルから波線さ
れる。 ［００２５］ 本発明の別の特徴によれば、種々の電流および起電力レ
ベルの組み合わせを表す数のペアを包含する表を用意す
る。−例として、列が低電流平坦域の値を表しまた行が
起電力レベルの値を表示し得る。電流−起電力レベルの
各ペア、すなわち列と行の交差するところ、ごとに、表
はこれに対応したガス成分の濃度および種別を与える。 データは、第３（ａ）図および第３ （ｂ）図に図示さ
れているように、濃度が知られている成分の測定から得
られる。要約した表２３が第４図に図示されている。 ［００２６］ 第５図には本発明の好ましい実施例が図示されており、
電極４１．４２は、酸素限界電流が低平坦域にあるよう
にするある大きさの電圧を提供する電源２１へ結合され
ている。電極４３．４４は起電力測定に使用される。 ［００２７］ 電流および起電力の値は２つの直列抵抗４５．４６を横
切る電圧を読み取ることにより測定される。得られた値
は、第４図に図示されるようなルックアツプ表２３に包
含された電流および起電力の種々の組み合わせを表す数
のペアと比較される。測定された電流−起電力のペアお
よびルックアツプ表２３の表示ペアとの間の最適なマツ
チングないし整合がガス混合物のガスの成分の濃度およ
び種別を決定する。 ［００２８］ 電流および起電力は測定されそしてアナログ−ディジタ
ル変換器２８．２９によりディジタル化される。電流お
よび起電力を表すディジタル信号はこれに対応したディ
ジタル比較器に結合される。数のペアを包含するルック
アツプ表２３の走査が行われる。表２３はＲＯＭにデジ
タル的に記憶し得そしてスキャナー２７によりアクセス
し得る。電流を表すディジタル信号は、低電流平坦域で
は電極４１．４２に結合されたディジタル比較器２５へ
導かれる。起電力を表すディジタル信号は電極４３．４
４に結合されたディジタル比較器２６に導かれる。表２
３が走査されるにしたがって、記憶された数が測定され
た電流−起電力値と比較される。２つのディジタル比較
器２５．２６の出力はＡＮＤゲー）３０に入力される。 ある記憶された数のペアについて、測定された電流値お
よび起電力値の両方のマツチングがあるとき、ディジタ
ル比較器２５および２６の両方はＡＮＤゲー）３０を可
能化ないしイネーブルにする出力信号を提供し、ラッチ
３１が閉成する。ラッチ３１はルックアツプ表２３とデ
イスプレィ３２との間に挿入されている。ラッチ３１が
閉成されるとき、整合したペアに対応する成分の種別お
よび濃度、したがって測定された電流−起電力値、が表
２３から読み出されデイスプレィ手段３２で指示される
。もしアナログ−ディジタル変換器２８．２９が除去さ
れディジタル−アナログ変換器が表２３の出力で使用さ
れれば、ディジタル比較器に替えてアナログ比較器が使
用できる。 ［００２９］ 第６図に図示されているように、この実施例の変形にお
いて、被測定値と表値との間の比較はマイクロプロセッ
サ３３により行うこともできる。 ［００３０］ 反応性ガスおよび酸素間の化学両輪的な比を越える（す
なわち、酸素よりも反応性ガスが多い）ガス混合物につ
いて、第１図の装置は、還元ガスの濃度および種別を決
定するのにも使用できる。第７図および第８図は、空気
と混合されるときに還元ガスが化学量論的濃度を越えて
いるときの装置の動作を図示する。十分な正の電圧が第
１電極１１１および第２電極１１２間に印加されるとき
、酸素は雰囲気１０４から固体電解質壁１１３を通じて
ガス状の媒体１１４および２１４の方へ送られる。この
ポンピング電圧はポンピング電源１１６により与えられ
る［００３１］ これに応答して、電流が固体電解質壁１１３を通じて流
れ、これは酸素限界電流と呼ばれる。酸素限界電流はポ
ンピング電源１１６およびセンサと直列の抵抗１１７を
横切る電圧を測定することにより決定し得る。広範囲の
ポンピング電圧について酸素電流が限界レベルにある、
すなわちポンピング電圧が広範囲にわたり変化してもほ
とんど一定である、ような仕方で、試験雰囲気１０４か
ら第１電極１１１へ向かうガス流を制限するなめに、小
さなアパーチャまたはガス透過性メンブレンなどの物理
的障害物１１８がチャンバ１０４および試験雰囲気１０
４間に提供する。 ［００３２］ 電流平坦域というこの現象は第７（ａ）図および第８（
ａ）図に図示されており、ここでは、一つの平坦域が、
メタン−空気ガス混合物および水素−空気ガス混合物に
ついて生じている。両方の場合について、限界電流は１
００ｍＶと１１００ｍＶとの間のポンピング電圧につい
て生ずる。 ［００３３］ 第７（ａ）図および第８（ａ）図に図示の平坦域は、低
い正のポンピング電圧（＜ １１００ｍＶ）では、チャ
ンバ１１４内のガス混合物は、反応性ガスが正確に酸素
と平衡を保つある化学量論比条件を維持せんとするので
生ずる。反応性ガスの流れはガスアパーチャ１１８によ
り制限されるので、ポンプ作用によって供給される平衡
酸素はある限界値を有する。ガス濃度が固定されている
とき、限界酸素電流の値は、アパーチャの寸法に比例し
またその長さに逆比例する。ガスアパーチャの形状が一
定であるとき、限界酸素電流は反応性ガスの濃度に比例
する［００３４］ 平坦域の大きさは、第７（ａ）図および第８（ａ）図に
図示されているように試験雰囲気における反応性ガスの
濃度および種別に依存する。 ［００３５］ 印加されるポンピング電圧が１１００ｍＶを越えるとき
、チャンバ１１４における化学量論的な条件はポンピン
グ電圧により供給される過剰の量の酸素により平衡が失
われる（第７（ａ）図および第８（ａ）図参照）。 ［００３６］ 反応性ガスは、メタンおよび水素に限定される必要はな
く、はとんどいずれのガスでもよい。 ［００３７］ 第１および第２電極が酸素を電気化学的に送るのに従事
している間、第３および第４電極（２１１および２１２
）は起電力（ネルンスト電圧）を測定するのに使用でき
る。電極１１１および１１２で生ずる電気化学的なポン
プ作用により、チャンバ１１４および２１４における酸
素活量は周囲ガス１０４におけるそれとは異なる。それ
ゆえ、ネルンストの原理に基づき、ある起電力が電極２
１１および電極２１２間に発生する。その大きさは、１
１００ｍＶのポンピング電圧を分離点として、２つの成
分に分離できる。空気−メタンおよび空気−水素ガス混
合物について標準的な結果が第７（ｂ）図および第８（
ｂ）図に図示されている。 両方の図で示されるように、異なるガスが異なる起電力
の大きさおよび極性を与える。 ［００３８］ 第９図には、空気における水素濃度対測定された限界電
流値および起電力値のプロット図が与えられている。こ
の種のセンサ装置の重要な性質はこの図の内容を通じて
明らかである。本発明により測定された空気中の低レベ
ルの水素濃度は化学量論濃度よりも低い（１４，５％対
２９．５２％）。これは、空気中の水素の拡散定数は空
気中の酸素の拡散定数の約２倍であり、それゆえチャン
バ１１４内の化学量論は、試験ガス１０４の水素濃度が
標準状態の下での理論値の約半分であっても実現される
からである。 ［００３９］ 本発明の全実施例に共通の特徴として、試験雰囲気は一
つのポンピング電圧および一つの起電力の読みで評価さ
れる。低ポンピング電圧は、第１電極ペアについて酸素
限界電流が平坦域にあるような大きさであるよう選択さ
れる。電流の大きさは測定される。酸素のポンプ送りが
動作している間、起電力が第２の電極ペアで測定される
。もし酸素および温度など、そのほかのすべてのパラメ
ータが一定であれば、電流レベルおよび起電力の大きさ
ならびにその極性は未知の成分の濃度および種別により
決定される。その逆もまた成り立つ。未知の成分の濃度
および種別の両方が、測定された電流および起電力の大
きさおよび極性から演法される。 ［００４０］ 本発明の別の特徴によれば、種々の電流および起電力レ
ベルの組み合わせを表す数のペアを包含する表を用意す
る。−例として、列が低電流平坦域の値を表しまた行が
起電力レベルの値を表示し得る。電流−起電力レベルの
各ペア、すなわち列と行の交差するところ、ごとに、表
はこれに対応した成分の濃度および種別を与える（第１
０図参照）。表中のデータは、第８図および第９図に図
示されているように、濃度が知られている成分から得ら
れた測定値によるものである。 ［００４１］ 第５図には本発明の好ましい実施例が図示されており、
電極４１．４２は、酸素限界電流が平坦域にあるように
するある大きさの負電圧を提供するポンピング電源２１
へ結合されている。電極４３．４４は起電力測定のため
のものである。 ［００４２］ 電流および起電力の読みは、たとえば対応付けられた直
列抵抗４５．４６を横切る電圧を読み取ることにより測
定され、実、験データから決定されていたルックアツプ
表２３に表示された種々の組み合わせの電流および起電
力を表す数のペアと比較される。測定された電流−起電
力のペアおよび表内のペアとの間で最適な整合が得られ
そしてこれに対応した成分種別および濃度が表から読み
出される。 ［００４３］ 電流および起電力は測定されそしてアナログ−ディジタ
ル変換器２８．２９によりディジタル化される。電流お
よび起電力を表すディジタル信号はこれに対応したディ
ジタル比較器２５．２６に結合される。数のペアを包含
するルツクアツプ表２３のスキャンが行われる。表２３
はＲＯＭにデジタル的に記憶し得そしてスキャナー２７
によりアクセスし得る。電流を表すディジタル信号は、
低電流平坦域では電極４１．４２に結合されたディジタ
ル比較器２５へ導かれる。起電力を表すディジタル信号
は電極４３．４４に結合されたディジタル比較器２６に
導かれる。表２３が走査されるにしたがって、記憶され
た数が測定された電流−起電力値と比較される。２つの
ディジタル比較器２５．２６の出力はＡＮＤゲート３０
に入力される。被測定電流値および記憶された数のペア
の両方が合うとき、ディジタル比較器２５および２６の
両方はＡＮＤゲート３０を可能化ないしイネーブルにす
る出力信号を提供し、これに応答してラッチ３１が閉成
する。ラッチ３１はルックアツプ表２３とデイスプレィ
手段３２との間に挿入されている。ラッチ３１が閉成さ
れるとき、整合したペアに対応する成分の種別および濃
度、したがって測定された電流−起電力値、が表２３か
ら読み出されデイスプレィ手段３２で指示される。もし
アナログ−ディジタル変換器２８．２９が除去されディ
ジタル−アナログ変換器が表２３の出力で使用されれば
、ディジタル比較器に替えてアナログ比較器が使用でき
る。 ［００４４］ 第６図に図示されているように、この実施例の変形にお
いて、被測定値と表値との間の比較はマイクロプロセッ
サ３３により行うこともできる。 ［００４５］ 本発明の代替え実施例において、第２固体電解質壁の電
極ペアは交番ないし交互のモードで動作できる。この交
番モードにおいて、一対の電極およびチャンバを包含す
るセルは酸素ポンプとしてまたは「ポンピング」モード
で動作する。第１１図は本発明を実施するのに適合な酸
素センサ２００の模式図である。それは電源２１６およ
び抵抗２１７が電極２１１および２１２に接続されてい
ること以外は第１図に図示のセンサと同様の構成を有す
る。 本発明の方法を実施するために、試験雰囲気は、ガスと
混合する前に既知の濃度の酸素を包含すべきであり、そ
して反応性ガスなどの未知の成分を持った空気とし得る
。本方法の目的は、既知成分または未知成分の濃度を決
定することである。未知成分がガス混合物に包含されて
いる場合、決定された濃度は未知成分を水素ガスとして
取り扱う水素等価濃度として表示される。ひとたび未知
成分の種別が決定されれば、その真の濃度は水素等価濃
度から真の濃度へと容易に変換できる。 感知動作において、センサ１００全体が試験雰囲気に浸
される。十分な負の電圧が第１電極１１１および第２電
極１１２間に印加されるとき、酸素は雰囲気１１４から
固体電解質壁１１３を通じてガス状媒体１０４へ送り込
まれる。これに応答して、電流が流れる。この節の冒頭
で説明したように、ポンピング電流は、印加される負の
ポンピング電圧の大きさに依存した２つの限界すなわち
２つの「平坦」域を有する。 ［００４６］ 第１および第２電極が酸素をチャンバ１１４の方へ送っ
ている間、第２の負電圧が第３および第４電極２１１．
２１２へ印加される。この種の感知装置の重要な性質は
、第３および第４電極の応答ポンピング電流は反応性ガ
スの濃度に直線的に比例することである。 ［００４７］ 標準例が第１２図に与えられており、１８００ｍＶの大
きさを持った第１の負のポンピング電圧が第１および第
２電極へ印加されまた７００ｍＶの大きさを持った第２
の負の電圧が第３および第４電極へ印加される。第３お
よび第４電極の応答電流が、空気をキャリアガスとした
メタンおよび一酸化炭素の濃度に対してプロットされて
いる。両方のガス混合物について電流の極性は印加され
た電圧の極性と逆であることに注意されたい。これは、
第１および第２電極のポンピング電流がその高平坦域に
ある間、チャンバ１１４および２１４内の低酸素活量は
ほとんどの反応性ガスについて９５０ｍＶよりも高い或
る値で第３および第４電極を横切る起電力を維持するか
らである（例が第２（Ｃ）図および第２（ｄ）図に与え
られている）。９５０ｍＶよりも小さな大きさで第３お
よび第４電極へ負の電圧を印加すると、印加電圧の極性
とは反対の電流が生ずるであろう。メタンガス混合物お
よびＣＯガス混合物について第３および第４電極の応答
の電流の比もまた４である。これは、メタンは、完全に
酸化されるためには、ＣＯよりも約４倍の酸素を必要と
するからである。 ［００４８］ 別の例が第１３図に図示されており、７５０ｍＶの大き
さの第１の負のポンピング電圧が第１および第２電極へ
印加されそして１８００ｍＶの大きさの第２の負の電圧
が第３および第４電極へ印加される。応答電流は空気中
のメタンおよび水素の濃度に対してプロットされている
。電流とガス濃度との間には直線性が認められるが、２
つの異なるガス間での電流レベルの差はない。さらに、
電流の極性は印加電圧の極性と同じである。これは、印
加電圧は第２の電極ペアで発生する起電力のレベルより
も大きいからである。 ［００４９］ 本発明の共通の特徴として試験雰囲気は２つのポンピン
グ電圧で測定される。 第１の負電圧が、対応するポンピング電流がその高（ま
たは低）平坦域レベルにあるような大きさで、第１およ
び第２電極１１１．１１２へ印加される。同時に第２の
負のポンピング電圧が、第１および第２電極に印加され
れば第１および第２電極のポンピング電流をその低（ま
たは高）平坦域にあるようにするであろう大きさで第３
および第４電極へ印加される。第２の負のポンピング電
圧として小さな大きさのポンピング電圧が第３および第
４電極へ印加されるとき、その大きさは９５０ｍＶより
も小さいことが好ましい。第３および第４電極間に発生
する応答電流の大きさが測定される。試験ガスの濃度は
測定された電流レベルから演法される。試験ガスの濃度
または水素等価濃度を決定するのに好都合な仕方は第１
２図および第１３図に与えらえているような較正データ
を使用することである。 ［００５０］ 本発明を好ましい実施例を含め詳細に説明した。しかし
当業者であれば、本発明の技術思想内で種々の変更およ
び修正が可能であることは明らかであろう。 ［００５１］
０の模式図である。センサ１００は電極１１１．１１２
および電極２１１．２１２の２つのペアを備え、それぞ
れのペアは２つの固体ないし中実の電解質壁１１３およ
び２１３の対向側部に配置する。各電極は、固体電解質
の面に被着された導電性セラミックまたはプラチナなど
の金属層とすることができる。固体電解質は、いずれの
酸素伝導材料とすることもできるが、好ましくはイツト
リアまたはカルシアで安定化されたジルコニアまたはこ
れと同様にドープされたセリアである。電極の両方のペ
ア１１１．１１２および２１１．２１２は、以後それぞ
れ第１、第２、第３および第４電極と呼ばれ、これらは
、試験雰囲気１０４と呼ばれる試験されるべきガス状媒
体に露呈される。 ［００１１］ ２つの電極ペアを分離する隔壁１２７がある。隔壁１２
７は、その熱−機械的性質が壁１１３および２１３のそ
れと合っており且つその電気抵抗率が２つの電極ペアが
互いに電気的に絶縁されるのに十分なほど高いかぎり、
いずれの材料とすることもできる。好ましい材料はイツ
トリアまたはカルシアで部分的に安定化されたジルコニ
アである。第１電極壁１１３および隔壁１２７は、周囲
ガスへ開放しているガスアパーチャ１１８を有する第１
ガスチャンバ１１４を包囲する。 第２電極壁２１３および隔壁１２７は、第１ガスチャン
バ１１４へ開放しているガスアパーチャ２１８を有する
第２ガスチャンバ２１４を包囲している。レイアウトの
違いを除いて、一つのこの種センサの構成の詳細は、ガ
ス感知装置についてのＷａｎｇ、 ＭａｃＡｌｌｉｓｔ
ｅｒおよびＫｅｎｎｅｄｙによる米国特許第４．８９７
．１７４号（１９９０年１月３０日発行）により開示さ
れるのと類似している。 ［００１２］ 本発明の方法を実施するために、試験雰囲気は、ガスと
混合する前に既知の濃度の酸素を包含すべきであり、そ
して反応性ガスまたは水蒸気などの未知の成分を持った
空気とし得る。本方法の目的は、未知成分の濃度および
種別を決定することである。センサ１００全体が試験雰
囲気に浸される。十分な負の電圧が第１電極１１１およ
び第２電極１１２間に印加されるとき、酸素は試験雰囲
気１１４から固体電解質壁１１３を通じてガス状媒体１
０４へ送り込まれる。この電圧はポンピング電圧と呼ば
れそして電源１１６により与えられる。 ［００１３］ これに応答して、電流が固体電解質壁１１３を通じて流
れる。この電流は酸素限界電流と呼ばれる。この酸素限
界電流は、ポンピング電源１１６およびセンサと直列の
抵抗１１７を横切る電圧を測定することにより決定し得
る。従来の酸素センサ測定においては、電流は試験雰囲
気における酸素の濃度の関数である。 ［００１４］ 広範囲のポンピング電圧について酸素電流がその限界レ
ベルにある、すなわちポンピング電圧が広範囲にわたり
変化してもほとんど一定である、ような仕方で試験雰囲
気１０４から第１電極１１１へ向かうガス流を制限する
ために、小さなアパーチャまたはガス透過性のメンブレ
ンである物理的な障害物１１８が試験雰囲気１０４およ
び第１電極１１１の面間に提供する。 ［００１５］ 同様に、小さなアパーチャまたはガス透過性メンブレン
とすることができる物理的な障害物２１８を提供し、チ
ャンバ２１４のガスをチャンバ１１４のガスから分離す
る。障害物２１８はセル間のガスの流れを制限しそして
正確な読みを行うために必要である。 ［００１６］ 電流平坦域という現象は第２（ａ）図および第２（ｂ）
図の曲線により図示されており、ここで２つの平坦域が
メタン−空気ガス混合物および水素−空気ガス混合物に
ついて生じている。両方の場合について、第１限界電流
は４００ｍＶおよび１３００ｍＶ間のポンピング電圧に
ついて生ずる。第２限界電流は約１８００ｍＶないし２
５００ｍＶ間のポンピング電圧で生ずる。 ［００１７］ この種酸素センサの重要な性質は、試験雰囲気の水蒸気
などの完全被酸化ガスまたは反応性ガスの存在下で、固
体電解質壁を通ずる電流はポンピング電圧の２つの範囲
について、もし試験雰囲気成分濃度およびセンサの温度
などそのほかのすべてのパラメータが一定であれば、は
とんど一定であることである。電流がほとんど一定であ
る２つの範囲のそれぞれについて、電流は電流限界平坦
域にあるといわれる。 ［００１８］ ２つの平坦域のうちの下方のものは、低いポンピング電
圧では試験雰囲気の水蒸気または反応性ガスの存在は、
固体電解質壁を通じて電気化学的に送られる酸素量を低
下させ、それゆえこれに対応して電流を制限するので、
生ずる。試験雰囲気の水蒸気または反応性ガスの濃度が
高ければ、限界電流平坦域は低くなる。 その理由は、反応性ガスの場合、低ポンピング電圧では
ガスは電極で酸素と触媒反応するからである。完全被酸
化ガスの場合は、試７験ガスの酸素濃度は被酸化ガスに
より薄められるからである。 ［００１９］ 低平坦域のレベルは、空気−メタンおよび空気−水素の
種々の混合物について第３（ａ）図および第３（ｂ）図
に図示されているように、試験雰囲気の反応性ガスの濃
度および種別に依存する。 ［００２０］ ２つの平坦域の上方のものは、高ポンピング電圧では、
ガスを含む接触反応は電気化学的に停止せられるかまた
は完全被酸化ガスは電気化学的に分解されるので生ずる
。高平坦域のレベルもまた、空気−メタンおよび空気−
水素のガス混合物について第２（ａ）図および第２（ｂ
）図に図示されているように、試験雰囲気の反応性ガス
の濃度および種別に依存する。 ［００２１］ 反応性ガスは、メタンおよび水素に限定される必要はな
く、いずれのガスとすることもできる。 ［００２２］ 第１および第２電極が酸素を電気化学的に送るのに従事
している間、第３および第４電極（２１１および２１２
）は起電力（ネルンスト電圧）を測定するのに使用でき
る。電極１１１および１１２で生ずる電気化学的なポン
プ作用により、チャンバ１１４および２１４における酸
素活量は周囲ガス１０４におけるそれとは異なる。それ
ゆえ、ネルンストの原理に基づき、ある起電力が電極２
１１および電極２１２を横切って発生する。その大きさ
は、それぞれ電極１１１および１１２を横切って電流平
坦域を発生する２つのポンピング電圧範囲に対応して、
２つの成分に分割できる。空気−メタンガス混合物につ
いて標準的な結果が第２（Ｃ）図に図示されている。 ［００２３］ 異なるガスが異なる起電力値を有する。比較のために、
空気−水素ガス混合物が発生する起電力を第２（ｄ）図
に与える。第３（ａ）図および第３（ｂ）図では、電流
（低平坦域）とこれに対応した起電力の読み（ネルンス
ト電圧）の両方が空気中の種々の量のメタンおよび水素
について与えられている。外側のセルはチャンバ１１４
に対応しそして内側のセルはチャンバ２１４に対応して
いる。 ［００２４］ 本発明の全実施例に共通の特徴として、試験雰囲気は一
つのポンピング電圧および一つの起電力の読みで試験さ
れる。低ポンピング電圧は、第１電極ペアについて酸素
限界電流が低平坦域にあるような大きさであるよう選択
される。電流の大きさは測定される。酸素の送りが継続
している間、起電力が第２の電極ペアより測定される。 もし酸素濃度および温度など、そのほかのすべてのパラ
メータが一定であれば、電流レベルおよび起電力の大き
さは未知の成分の濃度および種別により決定される。そ
の逆もまた成り立つ。未知の成分の濃度および種別の両
方が、測定された電流および起電力のレベルから波線さ
れる。 ［００２５］ 本発明の別の特徴によれば、種々の電流および起電力レ
ベルの組み合わせを表す数のペアを包含する表を用意す
る。−例として、列が低電流平坦域の値を表しまた行が
起電力レベルの値を表示し得る。電流−起電力レベルの
各ペア、すなわち列と行の交差するところ、ごとに、表
はこれに対応したガス成分の濃度および種別を与える。 データは、第３（ａ）図および第３ （ｂ）図に図示さ
れているように、濃度が知られている成分の測定から得
られる。要約した表２３が第４図に図示されている。 ［００２６］ 第５図には本発明の好ましい実施例が図示されており、
電極４１．４２は、酸素限界電流が低平坦域にあるよう
にするある大きさの電圧を提供する電源２１へ結合され
ている。電極４３．４４は起電力測定に使用される。 ［００２７］ 電流および起電力の値は２つの直列抵抗４５．４６を横
切る電圧を読み取ることにより測定される。得られた値
は、第４図に図示されるようなルックアツプ表２３に包
含された電流および起電力の種々の組み合わせを表す数
のペアと比較される。測定された電流−起電力のペアお
よびルックアツプ表２３の表示ペアとの間の最適なマツ
チングないし整合がガス混合物のガスの成分の濃度およ
び種別を決定する。 ［００２８］ 電流および起電力は測定されそしてアナログ−ディジタ
ル変換器２８．２９によりディジタル化される。電流お
よび起電力を表すディジタル信号はこれに対応したディ
ジタル比較器に結合される。数のペアを包含するルック
アツプ表２３の走査が行われる。表２３はＲＯＭにデジ
タル的に記憶し得そしてスキャナー２７によりアクセス
し得る。電流を表すディジタル信号は、低電流平坦域で
は電極４１．４２に結合されたディジタル比較器２５へ
導かれる。起電力を表すディジタル信号は電極４３．４
４に結合されたディジタル比較器２６に導かれる。表２
３が走査されるにしたがって、記憶された数が測定され
た電流−起電力値と比較される。２つのディジタル比較
器２５．２６の出力はＡＮＤゲー）３０に入力される。 ある記憶された数のペアについて、測定された電流値お
よび起電力値の両方のマツチングがあるとき、ディジタ
ル比較器２５および２６の両方はＡＮＤゲー）３０を可
能化ないしイネーブルにする出力信号を提供し、ラッチ
３１が閉成する。ラッチ３１はルックアツプ表２３とデ
イスプレィ３２との間に挿入されている。ラッチ３１が
閉成されるとき、整合したペアに対応する成分の種別お
よび濃度、したがって測定された電流−起電力値、が表
２３から読み出されデイスプレィ手段３２で指示される
。もしアナログ−ディジタル変換器２８．２９が除去さ
れディジタル−アナログ変換器が表２３の出力で使用さ
れれば、ディジタル比較器に替えてアナログ比較器が使
用できる。 ［００２９］ 第６図に図示されているように、この実施例の変形にお
いて、被測定値と表値との間の比較はマイクロプロセッ
サ３３により行うこともできる。 ［００３０］ 反応性ガスおよび酸素間の化学両輪的な比を越える（す
なわち、酸素よりも反応性ガスが多い）ガス混合物につ
いて、第１図の装置は、還元ガスの濃度および種別を決
定するのにも使用できる。第７図および第８図は、空気
と混合されるときに還元ガスが化学量論的濃度を越えて
いるときの装置の動作を図示する。十分な正の電圧が第
１電極１１１および第２電極１１２間に印加されるとき
、酸素は雰囲気１０４から固体電解質壁１１３を通じて
ガス状の媒体１１４および２１４の方へ送られる。この
ポンピング電圧はポンピング電源１１６により与えられ
る［００３１］ これに応答して、電流が固体電解質壁１１３を通じて流
れ、これは酸素限界電流と呼ばれる。酸素限界電流はポ
ンピング電源１１６およびセンサと直列の抵抗１１７を
横切る電圧を測定することにより決定し得る。広範囲の
ポンピング電圧について酸素電流が限界レベルにある、
すなわちポンピング電圧が広範囲にわたり変化してもほ
とんど一定である、ような仕方で、試験雰囲気１０４か
ら第１電極１１１へ向かうガス流を制限するなめに、小
さなアパーチャまたはガス透過性メンブレンなどの物理
的障害物１１８がチャンバ１０４および試験雰囲気１０
４間に提供する。 ［００３２］ 電流平坦域というこの現象は第７（ａ）図および第８（
ａ）図に図示されており、ここでは、一つの平坦域が、
メタン−空気ガス混合物および水素−空気ガス混合物に
ついて生じている。両方の場合について、限界電流は１
００ｍＶと１１００ｍＶとの間のポンピング電圧につい
て生ずる。 ［００３３］ 第７（ａ）図および第８（ａ）図に図示の平坦域は、低
い正のポンピング電圧（＜ １１００ｍＶ）では、チャ
ンバ１１４内のガス混合物は、反応性ガスが正確に酸素
と平衡を保つある化学量論比条件を維持せんとするので
生ずる。反応性ガスの流れはガスアパーチャ１１８によ
り制限されるので、ポンプ作用によって供給される平衡
酸素はある限界値を有する。ガス濃度が固定されている
とき、限界酸素電流の値は、アパーチャの寸法に比例し
またその長さに逆比例する。ガスアパーチャの形状が一
定であるとき、限界酸素電流は反応性ガスの濃度に比例
する［００３４］ 平坦域の大きさは、第７（ａ）図および第８（ａ）図に
図示されているように試験雰囲気における反応性ガスの
濃度および種別に依存する。 ［００３５］ 印加されるポンピング電圧が１１００ｍＶを越えるとき
、チャンバ１１４における化学量論的な条件はポンピン
グ電圧により供給される過剰の量の酸素により平衡が失
われる（第７（ａ）図および第８（ａ）図参照）。 ［００３６］ 反応性ガスは、メタンおよび水素に限定される必要はな
く、はとんどいずれのガスでもよい。 ［００３７］ 第１および第２電極が酸素を電気化学的に送るのに従事
している間、第３および第４電極（２１１および２１２
）は起電力（ネルンスト電圧）を測定するのに使用でき
る。電極１１１および１１２で生ずる電気化学的なポン
プ作用により、チャンバ１１４および２１４における酸
素活量は周囲ガス１０４におけるそれとは異なる。それ
ゆえ、ネルンストの原理に基づき、ある起電力が電極２
１１および電極２１２間に発生する。その大きさは、１
１００ｍＶのポンピング電圧を分離点として、２つの成
分に分離できる。空気−メタンおよび空気−水素ガス混
合物について標準的な結果が第７（ｂ）図および第８（
ｂ）図に図示されている。 両方の図で示されるように、異なるガスが異なる起電力
の大きさおよび極性を与える。 ［００３８］ 第９図には、空気における水素濃度対測定された限界電
流値および起電力値のプロット図が与えられている。こ
の種のセンサ装置の重要な性質はこの図の内容を通じて
明らかである。本発明により測定された空気中の低レベ
ルの水素濃度は化学量論濃度よりも低い（１４，５％対
２９．５２％）。これは、空気中の水素の拡散定数は空
気中の酸素の拡散定数の約２倍であり、それゆえチャン
バ１１４内の化学量論は、試験ガス１０４の水素濃度が
標準状態の下での理論値の約半分であっても実現される
からである。 ［００３９］ 本発明の全実施例に共通の特徴として、試験雰囲気は一
つのポンピング電圧および一つの起電力の読みで評価さ
れる。低ポンピング電圧は、第１電極ペアについて酸素
限界電流が平坦域にあるような大きさであるよう選択さ
れる。電流の大きさは測定される。酸素のポンプ送りが
動作している間、起電力が第２の電極ペアで測定される
。もし酸素および温度など、そのほかのすべてのパラメ
ータが一定であれば、電流レベルおよび起電力の大きさ
ならびにその極性は未知の成分の濃度および種別により
決定される。その逆もまた成り立つ。未知の成分の濃度
および種別の両方が、測定された電流および起電力の大
きさおよび極性から演法される。 ［００４０］ 本発明の別の特徴によれば、種々の電流および起電力レ
ベルの組み合わせを表す数のペアを包含する表を用意す
る。−例として、列が低電流平坦域の値を表しまた行が
起電力レベルの値を表示し得る。電流−起電力レベルの
各ペア、すなわち列と行の交差するところ、ごとに、表
はこれに対応した成分の濃度および種別を与える（第１
０図参照）。表中のデータは、第８図および第９図に図
示されているように、濃度が知られている成分から得ら
れた測定値によるものである。 ［００４１］ 第５図には本発明の好ましい実施例が図示されており、
電極４１．４２は、酸素限界電流が平坦域にあるように
するある大きさの負電圧を提供するポンピング電源２１
へ結合されている。電極４３．４４は起電力測定のため
のものである。 ［００４２］ 電流および起電力の読みは、たとえば対応付けられた直
列抵抗４５．４６を横切る電圧を読み取ることにより測
定され、実、験データから決定されていたルックアツプ
表２３に表示された種々の組み合わせの電流および起電
力を表す数のペアと比較される。測定された電流−起電
力のペアおよび表内のペアとの間で最適な整合が得られ
そしてこれに対応した成分種別および濃度が表から読み
出される。 ［００４３］ 電流および起電力は測定されそしてアナログ−ディジタ
ル変換器２８．２９によりディジタル化される。電流お
よび起電力を表すディジタル信号はこれに対応したディ
ジタル比較器２５．２６に結合される。数のペアを包含
するルツクアツプ表２３のスキャンが行われる。表２３
はＲＯＭにデジタル的に記憶し得そしてスキャナー２７
によりアクセスし得る。電流を表すディジタル信号は、
低電流平坦域では電極４１．４２に結合されたディジタ
ル比較器２５へ導かれる。起電力を表すディジタル信号
は電極４３．４４に結合されたディジタル比較器２６に
導かれる。表２３が走査されるにしたがって、記憶され
た数が測定された電流−起電力値と比較される。２つの
ディジタル比較器２５．２６の出力はＡＮＤゲート３０
に入力される。被測定電流値および記憶された数のペア
の両方が合うとき、ディジタル比較器２５および２６の
両方はＡＮＤゲート３０を可能化ないしイネーブルにす
る出力信号を提供し、これに応答してラッチ３１が閉成
する。ラッチ３１はルックアツプ表２３とデイスプレィ
手段３２との間に挿入されている。ラッチ３１が閉成さ
れるとき、整合したペアに対応する成分の種別および濃
度、したがって測定された電流−起電力値、が表２３か
ら読み出されデイスプレィ手段３２で指示される。もし
アナログ−ディジタル変換器２８．２９が除去されディ
ジタル−アナログ変換器が表２３の出力で使用されれば
、ディジタル比較器に替えてアナログ比較器が使用でき
る。 ［００４４］ 第６図に図示されているように、この実施例の変形にお
いて、被測定値と表値との間の比較はマイクロプロセッ
サ３３により行うこともできる。 ［００４５］ 本発明の代替え実施例において、第２固体電解質壁の電
極ペアは交番ないし交互のモードで動作できる。この交
番モードにおいて、一対の電極およびチャンバを包含す
るセルは酸素ポンプとしてまたは「ポンピング」モード
で動作する。第１１図は本発明を実施するのに適合な酸
素センサ２００の模式図である。それは電源２１６およ
び抵抗２１７が電極２１１および２１２に接続されてい
ること以外は第１図に図示のセンサと同様の構成を有す
る。 本発明の方法を実施するために、試験雰囲気は、ガスと
混合する前に既知の濃度の酸素を包含すべきであり、そ
して反応性ガスなどの未知の成分を持った空気とし得る
。本方法の目的は、既知成分または未知成分の濃度を決
定することである。未知成分がガス混合物に包含されて
いる場合、決定された濃度は未知成分を水素ガスとして
取り扱う水素等価濃度として表示される。ひとたび未知
成分の種別が決定されれば、その真の濃度は水素等価濃
度から真の濃度へと容易に変換できる。 感知動作において、センサ１００全体が試験雰囲気に浸
される。十分な負の電圧が第１電極１１１および第２電
極１１２間に印加されるとき、酸素は雰囲気１１４から
固体電解質壁１１３を通じてガス状媒体１０４へ送り込
まれる。これに応答して、電流が流れる。この節の冒頭
で説明したように、ポンピング電流は、印加される負の
ポンピング電圧の大きさに依存した２つの限界すなわち
２つの「平坦」域を有する。 ［００４６］ 第１および第２電極が酸素をチャンバ１１４の方へ送っ
ている間、第２の負電圧が第３および第４電極２１１．
２１２へ印加される。この種の感知装置の重要な性質は
、第３および第４電極の応答ポンピング電流は反応性ガ
スの濃度に直線的に比例することである。 ［００４７］ 標準例が第１２図に与えられており、１８００ｍＶの大
きさを持った第１の負のポンピング電圧が第１および第
２電極へ印加されまた７００ｍＶの大きさを持った第２
の負の電圧が第３および第４電極へ印加される。第３お
よび第４電極の応答電流が、空気をキャリアガスとした
メタンおよび一酸化炭素の濃度に対してプロットされて
いる。両方のガス混合物について電流の極性は印加され
た電圧の極性と逆であることに注意されたい。これは、
第１および第２電極のポンピング電流がその高平坦域に
ある間、チャンバ１１４および２１４内の低酸素活量は
ほとんどの反応性ガスについて９５０ｍＶよりも高い或
る値で第３および第４電極を横切る起電力を維持するか
らである（例が第２（Ｃ）図および第２（ｄ）図に与え
られている）。９５０ｍＶよりも小さな大きさで第３お
よび第４電極へ負の電圧を印加すると、印加電圧の極性
とは反対の電流が生ずるであろう。メタンガス混合物お
よびＣＯガス混合物について第３および第４電極の応答
の電流の比もまた４である。これは、メタンは、完全に
酸化されるためには、ＣＯよりも約４倍の酸素を必要と
するからである。 ［００４８］ 別の例が第１３図に図示されており、７５０ｍＶの大き
さの第１の負のポンピング電圧が第１および第２電極へ
印加されそして１８００ｍＶの大きさの第２の負の電圧
が第３および第４電極へ印加される。応答電流は空気中
のメタンおよび水素の濃度に対してプロットされている
。電流とガス濃度との間には直線性が認められるが、２
つの異なるガス間での電流レベルの差はない。さらに、
電流の極性は印加電圧の極性と同じである。これは、印
加電圧は第２の電極ペアで発生する起電力のレベルより
も大きいからである。 ［００４９］ 本発明の共通の特徴として試験雰囲気は２つのポンピン
グ電圧で測定される。 第１の負電圧が、対応するポンピング電流がその高（ま
たは低）平坦域レベルにあるような大きさで、第１およ
び第２電極１１１．１１２へ印加される。同時に第２の
負のポンピング電圧が、第１および第２電極に印加され
れば第１および第２電極のポンピング電流をその低（ま
たは高）平坦域にあるようにするであろう大きさで第３
および第４電極へ印加される。第２の負のポンピング電
圧として小さな大きさのポンピング電圧が第３および第
４電極へ印加されるとき、その大きさは９５０ｍＶより
も小さいことが好ましい。第３および第４電極間に発生
する応答電流の大きさが測定される。試験ガスの濃度は
測定された電流レベルから演法される。試験ガスの濃度
または水素等価濃度を決定するのに好都合な仕方は第１
２図および第１３図に与えらえているような較正データ
を使用することである。 ［００５０］ 本発明を好ましい実施例を含め詳細に説明した。しかし
当業者であれば、本発明の技術思想内で種々の変更およ
び修正が可能であることは明らかであろう。 ［００５１］
【国司
本発明を実施するのに適当な複数ガス形センサの模式図
である。 【図２１ （ａ）および（ｂ）は空気中のメタンおよび酸素につい
てのＩ−Ｖプロット図であり、 （Ｃ）および（ｄ）は
、第１の電極ペアが賦活されそして酸素を送っている間
に得られた対応する起電力の読みを表すプロット図であ
る。 【図３】 （ａ）および（ｂ）はメタンおよび水素ガス混合物につ
いてガス濃度と低平坦域限界電流（黒まる）および対応
する起電力の読み（白まる）との間の直線関係を図示す
るプロット図である。
である。 【図２１ （ａ）および（ｂ）は空気中のメタンおよび酸素につい
てのＩ−Ｖプロット図であり、 （Ｃ）および（ｄ）は
、第１の電極ペアが賦活されそして酸素を送っている間
に得られた対応する起電力の読みを表すプロット図であ
る。 【図３】 （ａ）および（ｂ）はメタンおよび水素ガス混合物につ
いてガス濃度と低平坦域限界電流（黒まる）および対応
する起電力の読み（白まる）との間の直線関係を図示す
るプロット図である。
【図４】
ガスの種別および濃度と限界電流および起電力値を相関
付ける表を表す図である。
付ける表を表す図である。
【図５】
本発明が企図する装置の好ましい実施例のブロック図で
ある。
ある。
【図６】
測定値および浅漬との間の比較がマイクロプロセッサに
より行われること以外は第５図と類似した装置のブロッ
ク図である。
より行われること以外は第５図と類似した装置のブロッ
ク図である。
【図７】
（ａ）は空気中のメタンについての限界電流を図示し、
１００ｍＶないし１１００ｍＶの範囲の電圧範囲に一つ
の電流平坦域があることを示すプロット図であり、（ｂ
）は第１の電極ペアが酸素を送っている間に得られた対
応する起電力の読みを図示するプロット図である。
１００ｍＶないし１１００ｍＶの範囲の電圧範囲に一つ
の電流平坦域があることを示すプロット図であり、（ｂ
）は第１の電極ペアが酸素を送っている間に得られた対
応する起電力の読みを図示するプロット図である。
【図８】
（ａ）は空気中の水素についての限界電流を図示し、１
００ｍＶないし１１００ｍＶの範囲の電圧範囲に一つの
電流平坦域があることを示すプロット図であり（ｂ）は
第１の電極ペアが酸素を送っている間に得られた対応す
る起電力の読みを図示するプロット図である。
００ｍＶないし１１００ｍＶの範囲の電圧範囲に一つの
電流平坦域があることを示すプロット図であり（ｂ）は
第１の電極ペアが酸素を送っている間に得られた対応す
る起電力の読みを図示するプロット図である。
【図９】
水素ガス混合物についてガス濃度と平坦域限界電流（黒
まる）および対応する起電力の読み（白まる）との間の
直線関係を図示するプロット図である。
まる）および対応する起電力の読み（白まる）との間の
直線関係を図示するプロット図である。
【図１０１
ガスの種別および濃度と限界電流および起電力値とを相
関付ける表を表す図である。 【図１１】 本発明を実施するのに適当な別の複数ガス形センサの模
式図である。
関付ける表を表す図である。 【図１１】 本発明を実施するのに適当な別の複数ガス形センサの模
式図である。
【図１２】
第１１図の装置を動作したときのメタン−空気混合物お
よび一酸化炭素一空気混合物を比較したプロット図であ
る。
よび一酸化炭素一空気混合物を比較したプロット図であ
る。
【図１３】
第１１図の装置を動作したときのメタン−空気混合物お
よび水素−空気混合物を比較したプロット図である。
よび水素−空気混合物を比較したプロット図である。
【図１】
図面
【図２ａｌ
【図２ｂｌ
【図２ｄｌ
ＩＮ 開＋４−１：Ｊｂｂ／ （ＸＩ）【図３ａｌ
【図３ｂｌ
【図４】
【図５】
【図６】
【図７ａｌ
【図７ｂｌ
【図８ｂｌ
【図９】
【図１０】
ＥＭＦ ！、八へ】し訂びパ３か４′ｉ−（ｍＶ）
【図１２】
【図１３】
Claims (18)
- 【請求項１】 既知の濃度の酸素を有する試験雰囲気の成分の濃度およ
び種別を決定するための装置において、 第１および第２電極間に挿入され且つこれと接触状態の
第１の固体電解質壁と第３および第４電極間に挿入され
且つこれと接触状態の第２の固体電解質壁とを有し、当
該第２および第４電極はは前記試験雰囲気と連通常対に
或る固体電解質酸素センサと、 第１チャンバおよび第２チャンバを形作る、前記第１お
よび第３電極間に挿入された隔壁において、当該第１チ
ャンバは前記第１固体電解質壁および前記隔壁により形
成されそして当該第２チャンバは前記第２固体電解質壁
および前記隔壁により形成され且つ前記第１電極および
前記第３電極を電気的に絶縁する当該隔壁と、 前記試験雰囲気および前記第１チャンバ間の第１のガス
流れ制限手段と、前記隔壁に配置され、前記第１チャン
バおよび第２チャンバ間の第２のガス流れ制限手段と、 第１電流が第１電流限界平坦域にあるようにする大きさ
の第１の負電圧を第１および第２電極間に印加して、電
気化学的な酸素送りを生じさせ且つ当該第１電流が対応
する第１電解質壁を通じて流れるようにするための手段
と、前記第１電流の大きさを測定するための手段と、前
記第３および第４電極間の起電力を測定するための手段
と、第１電流および起電力の種々の組み合わせを表す数
のペアと、一つまたはそれ以上の成分のうちの対応する
種別および濃度とを相関付ける表手段と、前記第１の大
きさの電流および測定された起電力値を前記表手段にお
いて合わせそして一つまたはそれ以上の成分のうちの対
応する種別および濃度を決定するための手段とから構成
される試験雰囲気の成分濃度および種別決定装置。 - 【請求項２】 前記第１および第２固体電解質壁はイットリアまたはカ
ルシアで安定化されたジルコニアから作られた請求項１
に記載の装置。 - 【請求項３】 前記第１ガス流れ制限手段は、試験ガスと第１チャンバ
とを連絡する小さなアパーチャから構成される請求項１
に記載の装置。 - 【請求項４】 前記第２ガス流れ制限手段は、第１チャンバと第２チャ
ンバとを連絡する隔壁上のアパーチャから構成される請
求項１に記載の装置。 - 【請求項５】 前記隔壁は、イットリアまたはカルシアで部分的に安定
化されたジルコニアから作られた請求項１に記載の装置
。 - 【請求項６】 前記第１、第２、第３および第４電極はプラチナから作
られた請求項１に記載の装置。 - 【請求項７】 既知の濃度の酸素を有する試験雰囲気の成分の濃度およ
び種別を決定するための方法において、 第１および第２電極間に挿入され且つこれと接触状態の
第１の固体電解質壁と第３および第４電極間に挿入され
且つこれと接触状態の第２の固体電解質壁と、第１チャ
ンバおよび第２チャンバを形作る、前記第１および第３
電極間に挿入された隔壁と、 前記試験雰囲気および前記第１チャンバ間の第１のガス
流れ制限手段と、前記第１チャンバおよび第２チャンバ
間の第２のガス流れ制限手段とを有し、前記第２および
第４電極は前記試験ガスと連通状態にある固体電解質酸
素センサを用意し、 第１電流が第１電流限界平坦域にあるようにする大きさ
の第１の負電圧を第１および第２電極間に印加して、電
気化学的な酸素送りを生じさせ且つ当該第１電流が第１
電解質壁を通じて流れるようにし、前記第１電流の大き
さを測定し、 前記第３および第４電極間の開放セル起電力の大きさを
測定し、第１電流および開放セル起電力の種々の組み合
わせを表す数のペアと、一つまたはそれ以上の成分のう
ちの対応する種別および濃度とを相関付ける表手段を用
意し、 前記第１電流および開放セル起電力の測定された大きさ
と前記表手段の前記数のペアとを合わせそして一つまた
はそれ以上の成分のうちの対応する種別および濃度を決
定することからなる試験雰囲気の成分濃度および種別決
定方法。 - 【請求項８】 前記第１および第２固体電解質壁はイットリアまたはカ
ルシアで安定化されたジルコニアから作られた請求項７
に記載の方法。 - 【請求項９】 既知の濃度の酸素を有する試験雰囲気の或る成分につい
ての化学量論ガス混合物のそれよりも大きい濃度および
当該成分の種別を決定するための方法において、 第１および第２電極間に挿入され且つこれと接触状態の
第１の固体電解質壁と第３および第４電極間に挿入され
且つこれと接触状態の第２の固体電解質壁と、第１チャ
ンバおよび第２チャンバを形作る、前記第１および第３
電極間に挿入された隔壁と、 前記試験雰囲気および前記第１チャンバ間の第１のガス
流れ制限手段と、前記第１チャンバおよび第２チャンバ
間の第２のガス流れ制限手段とを有し、前記第２および
第４電極は前記試験雰囲気と連通状態にある固体電解質
酸素センサを用意し、 第１電流が第１電流限界平坦域にあるようにする大きさ
の第１の正電圧を第１および第２電極間に印加して、電
気化学的な酸素送りを生じさせ且つ当該第１電流が第１
電解質壁を通じて流れるようにし、前記第１電流の大き
さを測定し、 前記第３および第４電極間の開放セル起電力の大きさを
測定し、第１電流および開放セル起電力の種々の組み合
わせを表す数のペアと、一つまたはそれ以上の成分のう
ちの対応する種別および濃度とを相関付ける表手段を用
意し、 前記第１電流および開放セル起電力の測定された大きさ
と前記表手段の前記数のペアとを合わせそして一つまた
はそれ以上の成分のうちの対応する種別および濃度を決
定することからなる試験雰囲気の成分濃度および種別決
定方法。 - 【請求項１０】 前記第１および第２固体電解質壁はイットリアまたはカ
ルシアで安定化されたジルコニアから作られた請求項９
に記載の方法。 - 【請求項１１】 既知の濃度の酸素を有する試験雰囲気の未知の成分の水
素等価形濃度または既知の成分の濃度を決定するための
装置において、第１および第２電極間に挿入され且つこ
れと接触状態の第１の固体電解質壁と第３および第４電
極間に挿入され且つこれと接触状態の第２の固体電解質
壁とを有し且つ当該第２および第４電極は前記試験雰囲
気と連通状態にある固体電解質酸素センサと、 第１チャンバおよび第２チャンバを形作る、前記第１お
よび第３電極間に挿入された隔壁において、当該第１チ
ャンバは前記第１固体電解質壁および前記隔壁により形
成されそして当該第２チャンバは前記第２固体電解質壁
および前記隔壁により形成され且つ前記第１電極および
前記第３電極を電気的に絶縁する当該隔壁と、 前記試験雰囲気および前記第１チャンバ間の第１のガス
流れ制限手段と、前記隔壁に配置される、前記第１チャ
ンバおよび第２チャンバ間の第２のガス流れ制限手段と
、 第１電流が第１電流限界平坦域にあるようにする大きさ
の第１の負電圧を第１および第２電極間に印加して、電
気化学的な酸素送りを生じさせ且つ当該第１電流が対応
する第１電解質壁を通じて流れるようにするための手段
と、第２電流が第２電流限界平坦域にあるようにする大
きさの第２の負電圧を第３および第４電極間に印加して
、電気化学的な酸素送りを生じさせ且つ当該第２電流が
対応する第２電解質壁を通じて流れるようにするための
手段と、前記第２電流の大きさと、対応する未知成分の
水素等価形濃度または既知成分の濃度とを相関付ける表
手段と、 前記第２電流の大きさを前記表手段において合わせそし
て対応する既知成分濃度または未知成分の水素等価形濃
度を決定するための手段とから構成される試験雰囲気の
成分濃度および種別決定装置。 - 【請求項１２】 前記第１および第２固体電解質壁はイットリアまたはカ
ルシアで安定化されたジルコニアから作られた請求項１
１に記載の装置。 - 【請求項１３】 前記第１ガス流れ制限手段は、試験ガスと第１チャンバ
とを連絡する小さなアパーチャから構成される請求項１
１に記載の装置。 - 【請求項１４】 前記第２ガス流れ制限手段は、第１チャンバと第２チャ
ンバとを連絡する隔壁上のアパーチャから構成される請
求項１１に記載の装置。 - 【請求項１５】 前記隔壁は、イツトリアまたはカルシアで部分的に安定
化されたジルコニアから作られた請求項１１に記載の装
置。 - 【請求項１６】 前記第１、第２、第３および第４電極はプラチナから作
られた請求項１１に記載の装置。 - 【請求項１７】 既知の濃度の酸素を有する試験雰囲気の未知の成分の水
素等価形濃度または既知の成分の濃度を決定するための
方法において、第１および第２電極間に挿入され且つこ
れと接触状態の第１の固体電解質壁と第３および第４電
極間に挿入され且つこれと接触状態の第２の固体電解質
壁と、第１チャンバおよび第２チャンバを形作る、前記
第１および第３電極間に挿入された隔壁と、 前記試験雰囲気および前記第１チャンバ間の第１のガス
流れ制限手段と、前記第１チャンバおよび第２チャンバ
間の第２のガス流れ制限手段とを有し、前記第２および
第４電極は前記試験雰囲気と連通状態にある固体電解質
酸素センサを用意し、 第１電流が第１電流限界平坦域にあるようにする大きさ
の第１の負電圧を第１および第２電極間に印加して、電
気化学的な酸素送りを生じさせ且つ当該第１電流が第１
電解質壁を通じて流れるようにし、前記第１電流の大き
さを測定し、 第２電流が第２電流限界平坦域にあるようにする大きさ
の第２の負電圧を第３および第４電極間に印加して、電
気化学的な酸素送りを生じさせ且つ当該第２電流が対応
する第２電解質壁を通じて流れるようにし、前記第２電
流の大きさを測定し、 第２電流を表す数と、対応する既知成分の濃度または未
知成分の水素等価形濃度とを相関付ける表手段を用意し
、 前記第２電流の測定された大きさと前記表手段の前記数
とを合わせそして対応する既知成分濃度または未知成分
の水素等価形濃度を決定することからなる試験雰囲気の
成分濃度および種別決定方法。 - 【請求項１８】 前記第１および第２固体電解質壁はイットリアまたはカ
ルシアで安定化されたジルコニアから作られた請求項１
７に記載の方法。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US07/453,566 US5080765A (en) | 1989-12-20 | 1989-12-20 | Method for determining identification and concentration of an atmospheric component |
| US453566 | 1989-12-20 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0419557A true JPH0419557A (ja) | 1992-01-23 |
Family
ID=23801088
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2411861A Withdrawn JPH0419557A (ja) | 1989-12-20 | 1990-12-20 | 雰囲気成分の濃度および種別を決定するための改善された装置および方法 |
Country Status (4)
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|---|---|
| US (1) | US5080765A (ja) |
| EP (1) | EP0433849A1 (ja) |
| JP (1) | JPH0419557A (ja) |
| CA (1) | CA2032021A1 (ja) |
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