JP2000009683A - 内的に較正された酸素センサのための方法と装置 - Google Patents
内的に較正された酸素センサのための方法と装置Info
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-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
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- G01N27/416—Systems
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 改良された酸素センサ、および内部基準によ
り酸素レベルを決定する方法を提供する。 【解決手段】 連続する内部表面および連続する外部表
面を有する酸化ジルコニウム本体を使用する酸素センサ
を提供する。
り酸素レベルを決定する方法を提供する。 【解決手段】 連続する内部表面および連続する外部表
面を有する酸化ジルコニウム本体を使用する酸素センサ
を提供する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明はセンサに関し、更に
詳細には、気体環境に存在する酸素のレベルを検出する
ために使用される酸素センサに関する。
詳細には、気体環境に存在する酸素のレベルを検出する
ために使用される酸素センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】これらのセンサは酸化物材料（一般に酸
化ジルコニウム）の薄い層を使用し、それは層の向かい
合う面に電着させられ、一般的な作動モードで、ネルン
ストセルとして作動する。センサは、少なくとも約７０
０度（摂氏）の高い温度で作動し、それは半導体材料内
の電子流れを可能にする移動格子「ホール」に類似して
いるメカニズムを通して酸素イオン移動度の最適に増加
するレベルを提供し、電気化学的酸素イオン流が層全体
の酸素勾配を決定するために使用される。壁全体の酸素
の部分的な圧力の差が電極の間で酸素イオンの流れを誘
導し、セルは２つの部分的な圧力の比率が決定される層
全体の電圧を発生させる。
化ジルコニウム）の薄い層を使用し、それは層の向かい
合う面に電着させられ、一般的な作動モードで、ネルン
ストセルとして作動する。センサは、少なくとも約７０
０度（摂氏）の高い温度で作動し、それは半導体材料内
の電子流れを可能にする移動格子「ホール」に類似して
いるメカニズムを通して酸素イオン移動度の最適に増加
するレベルを提供し、電気化学的酸素イオン流が層全体
の酸素勾配を決定するために使用される。壁全体の酸素
の部分的な圧力の差が電極の間で酸素イオンの流れを誘
導し、セルは２つの部分的な圧力の比率が決定される層
全体の電圧を発生させる。
【０００３】センサの片側に既知の酸素含有量の基準ガ
スを加え、プロセス環境から他の側にサンプルガスを入
れることにより、プロセス環境内の酸素のレベルは、こ
の電圧の大きさから導き出すことができる。しかし、層
の厚さ、表面効果の製造、及び他の変動のせいで、この
信号を一般的な酸素レベルの有効な測定値に変換するた
めに、初期及びセンサが老朽化するにつれて、バイアス
オフセットまたは比例因子の形態で種々の補正が必要あ
る。さらに、この種のセンサは、一般に汚れた環境また
は煙道ガス測定環境のような、急速に拡散するガス環境
内の使用に適さない。
スを加え、プロセス環境から他の側にサンプルガスを入
れることにより、プロセス環境内の酸素のレベルは、こ
の電圧の大きさから導き出すことができる。しかし、層
の厚さ、表面効果の製造、及び他の変動のせいで、この
信号を一般的な酸素レベルの有効な測定値に変換するた
めに、初期及びセンサが老朽化するにつれて、バイアス
オフセットまたは比例因子の形態で種々の補正が必要あ
る。さらに、この種のセンサは、一般に汚れた環境また
は煙道ガス測定環境のような、急速に拡散するガス環境
内の使用に適さない。
【０００４】ある種の構造が内部基準を発生するために
提案されたので、センサは既知の標準の基準が別々に供
給されることを要求するよりも、利用可能なガスを使用
して自己を較正できる。この型のセンサシステムは、C.
Franx, in Sensors and Actuators, Vol. 7, No. 4 (A
ugust, 1985), pp. 263-270、及びD.M. Haaland in Ana
lytical Chemistry, Vol. 49, No. 12 (October, 197
7), pp. 1813-1817により記載された。典型的なこの種
のシステムは、２つの全く同じZrO2ディスク（各々が両
面に白金電極表面を有する）を使用し、ディスクが封止
された缶状チャンバの向かい合う端部壁を形成するよう
に、白金またはセラミックシリンダまたはスペーサリン
グの向かい合う端部にディスクを取付ける。２つのディ
スクの１つは、標準のZrO2酸素センサとして作動し、ネ
ルンスト方程式によって、チャンバの内部および外部の
O2分圧の関数である信号を提供する。他方は、電気化学
酸素イオンポンプとして作動し、測定の間にゼロ酸素圧
力までチャンバの内部をポンプで排気するために、逆方
向のバイアスに接続している。チャンバの実際の容積が
最初に決定されると仮定すると、好ましくは計器係数を
発現させてネルンストオフセットを決定するために工場
基準較正を最初に実行した後に、別々のスパンガスに提
供された基準であることを要求すること無しに、ポンプ
ダウン処置により、センサは現場で後で再びゼロにでき
る。サンプルガスが変動する時間の尺度と比較してセン
サ応答時間が十分に短かいと仮定するならば、これらの
素子の内部基準センサの動作は酸素レベル測定に対して
有用かもしれない。
提案されたので、センサは既知の標準の基準が別々に供
給されることを要求するよりも、利用可能なガスを使用
して自己を較正できる。この型のセンサシステムは、C.
Franx, in Sensors and Actuators, Vol. 7, No. 4 (A
ugust, 1985), pp. 263-270、及びD.M. Haaland in Ana
lytical Chemistry, Vol. 49, No. 12 (October, 197
7), pp. 1813-1817により記載された。典型的なこの種
のシステムは、２つの全く同じZrO2ディスク（各々が両
面に白金電極表面を有する）を使用し、ディスクが封止
された缶状チャンバの向かい合う端部壁を形成するよう
に、白金またはセラミックシリンダまたはスペーサリン
グの向かい合う端部にディスクを取付ける。２つのディ
スクの１つは、標準のZrO2酸素センサとして作動し、ネ
ルンスト方程式によって、チャンバの内部および外部の
O2分圧の関数である信号を提供する。他方は、電気化学
酸素イオンポンプとして作動し、測定の間にゼロ酸素圧
力までチャンバの内部をポンプで排気するために、逆方
向のバイアスに接続している。チャンバの実際の容積が
最初に決定されると仮定すると、好ましくは計器係数を
発現させてネルンストオフセットを決定するために工場
基準較正を最初に実行した後に、別々のスパンガスに提
供された基準であることを要求すること無しに、ポンプ
ダウン処置により、センサは現場で後で再びゼロにでき
る。サンプルガスが変動する時間の尺度と比較してセン
サ応答時間が十分に短かいと仮定するならば、これらの
素子の内部基準センサの動作は酸素レベル測定に対して
有用かもしれない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかし、前述の構造
は、２つの酸化ジルコニウムディスクが境界となるチャ
ンバの組立てのためのプロセスが、チャンバの内部から
外部へ２本のワイヤーの通過を必要とし、装置の主要な
作動中の輸送および測定表面を構成する２つのディスク
とその上面および底面の全周囲のまわりを漏れ止め方法
でスペーサリングを封止することを当然また要求する短
所を有する。全体の構造は比較的大きな表面領域を提示
するが、これは、両方のディスクの周囲のまわりに２つ
の長くて幅が狭い封止接合部を必要とする構造で達成さ
れ、それゆえに、示度の間で測定値を変えることができ
る小さな漏れに弱い。センサがサービスに入れられるな
らば、これらの要因は製造品質の達成可能なレベルを減
衰させるか、または微小な漏れの増加する結果を招き、
従って、頻繁な再調整を必要とするかもしれない。
は、２つの酸化ジルコニウムディスクが境界となるチャ
ンバの組立てのためのプロセスが、チャンバの内部から
外部へ２本のワイヤーの通過を必要とし、装置の主要な
作動中の輸送および測定表面を構成する２つのディスク
とその上面および底面の全周囲のまわりを漏れ止め方法
でスペーサリングを封止することを当然また要求する短
所を有する。全体の構造は比較的大きな表面領域を提示
するが、これは、両方のディスクの周囲のまわりに２つ
の長くて幅が狭い封止接合部を必要とする構造で達成さ
れ、それゆえに、示度の間で測定値を変えることができ
る小さな漏れに弱い。センサがサービスに入れられるな
らば、これらの要因は製造品質の達成可能なレベルを減
衰させるか、または微小な漏れの増加する結果を招き、
従って、頻繁な再調整を必要とするかもしれない。
【０００６】それゆえに、改良された酸素センサ、およ
び内部基準により酸素レベルを決定する方法を提供する
ことが望ましい。
び内部基準により酸素レベルを決定する方法を提供する
ことが望ましい。
【０００７】更に、漏洩に対する故障発生率を減少させ
てきたこの種のセンサを提供することが望ましい。
てきたこの種のセンサを提供することが望ましい。
【０００８】また、反応特性を改良してきたこの種のセ
ンサを提供することが望ましい。
ンサを提供することが望ましい。
【０００９】
【課題を解決するための手段】これらの、また他の望ま
しい特徴が、本発明の酸素センサにおいて提供され、連
続する内部表面および連続する外部表面を有する酸化ジ
ルコニウム本体は、一定の容積のチャンバを囲む薄いシ
ェルを形成する。別個のまたは別々の時間区間では、セ
ンサが電気化学的酸素イオンポンプとして作動するよう
に、コントローラは１つの時間区間で１つの信号を２つ
の表面全体に加え、他の時間区間では、酸素レベルを決
定するために、シェル全体の酸素イオン流により生じる
電圧を交互にモニタする。各段階で、一体型ポンプの電
流は、チャンバに加えられたか除去された酸素の測定値
を生ずる。排出によりチャンバが空にされたか、または
外部との平衡を達成したら、内部較正が達成される。
しい特徴が、本発明の酸素センサにおいて提供され、連
続する内部表面および連続する外部表面を有する酸化ジ
ルコニウム本体は、一定の容積のチャンバを囲む薄いシ
ェルを形成する。別個のまたは別々の時間区間では、セ
ンサが電気化学的酸素イオンポンプとして作動するよう
に、コントローラは１つの時間区間で１つの信号を２つ
の表面全体に加え、他の時間区間では、酸素レベルを決
定するために、シェル全体の酸素イオン流により生じる
電圧を交互にモニタする。各段階で、一体型ポンプの電
流は、チャンバに加えられたか除去された酸素の測定値
を生ずる。排出によりチャンバが空にされたか、または
外部との平衡を達成したら、内部較正が達成される。
【００１０】好ましくは、シェルは多孔性の白金の各層
により電着される内部および外部表面を有するチューブ
であり、チューブは実質的にその直径より大きな長さを
有し、単一の電極線が内部の白金でメッキされた電極表
面に接続するために通過する末端プラグによって、チュ
ーブは信頼できるように封止されている。センサを形成
するために適切な材料は、約９１％の酸化ジルコニウ
ム、及び９％のイットリウム酸化物との混合物であり、
この材料はペーストまたはスラリとして単一の本体に最
終的なシェルの形（例えば、チューブ）に形成される。
本体は強化および形状を作るために約１４００度（摂
氏）で焼結され、次に焼結された本体は、多孔性の電極
を各表面に形成するために白金でメッキされる。リード
線は内部の電極表面に取り付けられ、チューブの開いた
末端によって、引き出され、次にプラグにより封止され
る。
により電着される内部および外部表面を有するチューブ
であり、チューブは実質的にその直径より大きな長さを
有し、単一の電極線が内部の白金でメッキされた電極表
面に接続するために通過する末端プラグによって、チュ
ーブは信頼できるように封止されている。センサを形成
するために適切な材料は、約９１％の酸化ジルコニウ
ム、及び９％のイットリウム酸化物との混合物であり、
この材料はペーストまたはスラリとして単一の本体に最
終的なシェルの形（例えば、チューブ）に形成される。
本体は強化および形状を作るために約１４００度（摂
氏）で焼結され、次に焼結された本体は、多孔性の電極
を各表面に形成するために白金でメッキされる。リード
線は内部の電極表面に取り付けられ、チューブの開いた
末端によって、引き出され、次にプラグにより封止され
る。
【００１１】好ましい作動モードでは、コントローラは
酸素をチャンバから排出するために、第１極性の電流の
制御された流れで電極表面に電流を流すことによりセン
サを自己較正する。排出の後、短い弛緩間隔に続いて、
チャンバが実際問題として有効に空であるとプロセッサ
が決定するまで、プロセッサはセル出力を読み、排出お
よび読み込みステップを繰り返す。すなわち、ネルンス
ト電圧は、内部酸素濃度が必要とする測定値精度に関し
て取るに足りないことを示す。例えば、このレベルは、
一般的な煙道ガスアプリケーションに対して約２００ｍ
Ｖである。コントローラは、次に極性を切替え、一般の
酸素濃度までチャンバを満たすために逆方向の電気化学
酸素イオンポンプとして作動する。一般に、壁全体に輸
送される酸素の量はポンプに提供される電荷に正比例す
るので、既知の酸素濃度のガスで実行されるときに、こ
の手順はセンサを調整する。ポンプとして作動し、セン
サ壁全体の圧力差をゼロにするために、コントローラは
好ましくはネルンスト電圧を読み、実質的に釣合いを達
成するために計算される電荷の量を加え、次に、弛緩時
間の後、再びネルンスト電圧を読み、必要に応じて更な
る排出を繰り返す。排出電流は一連の電流パルスとして
好ましくは加えられ、電極全体の信号がノイズ閾値より
下に下がるまでΔＰネルンストセル出力は読まれ、ΔＰ
_oxygenが効果的にゼロにされることを示す。好ましく
は、コントローラは加えられた電荷を積分する。例え
ば、一定電流の一定の持続パルスを加えるとき、単にパ
ルスをカウントし、周囲の酸素レベルを決定する計器ま
たは転換率で乗じることにより、これはなされる。その
後で、環境が変動するとき、最後の示度がメモリに記憶
され、単にΔＰ＝０を維持するため正または負のパルス
を加えるためにコントローラが排気ステップ無しで作動
でき、その結果、内部酸素圧力が現在の外部酸素圧力を
追跡する。次に、正負のパルスの数が、電流平衡酸素示
度を決定するために実行総和に記録される。この方法に
よるゼロトラッキングモードの動作は、微細な亀裂また
は漏れ欠陥がある場合でさえ、効果的にセンサ全体の漏
洩を減少させ、その結果、示度はドリフトなしで拡張期
間の間正確なままである。動作を検出し追跡する間、壁
全体に検出されるΔＰネルンストセル出力が平衡に対す
る排出のためのフィードフォーワード信号として使用さ
れるかもしれず、そのうえ周囲の酸素濃度の即時測定値
として提供されるかもしれず、測定速度を大いに改善す
る。
酸素をチャンバから排出するために、第１極性の電流の
制御された流れで電極表面に電流を流すことによりセン
サを自己較正する。排出の後、短い弛緩間隔に続いて、
チャンバが実際問題として有効に空であるとプロセッサ
が決定するまで、プロセッサはセル出力を読み、排出お
よび読み込みステップを繰り返す。すなわち、ネルンス
ト電圧は、内部酸素濃度が必要とする測定値精度に関し
て取るに足りないことを示す。例えば、このレベルは、
一般的な煙道ガスアプリケーションに対して約２００ｍ
Ｖである。コントローラは、次に極性を切替え、一般の
酸素濃度までチャンバを満たすために逆方向の電気化学
酸素イオンポンプとして作動する。一般に、壁全体に輸
送される酸素の量はポンプに提供される電荷に正比例す
るので、既知の酸素濃度のガスで実行されるときに、こ
の手順はセンサを調整する。ポンプとして作動し、セン
サ壁全体の圧力差をゼロにするために、コントローラは
好ましくはネルンスト電圧を読み、実質的に釣合いを達
成するために計算される電荷の量を加え、次に、弛緩時
間の後、再びネルンスト電圧を読み、必要に応じて更な
る排出を繰り返す。排出電流は一連の電流パルスとして
好ましくは加えられ、電極全体の信号がノイズ閾値より
下に下がるまでΔＰネルンストセル出力は読まれ、ΔＰ
_oxygenが効果的にゼロにされることを示す。好ましく
は、コントローラは加えられた電荷を積分する。例え
ば、一定電流の一定の持続パルスを加えるとき、単にパ
ルスをカウントし、周囲の酸素レベルを決定する計器ま
たは転換率で乗じることにより、これはなされる。その
後で、環境が変動するとき、最後の示度がメモリに記憶
され、単にΔＰ＝０を維持するため正または負のパルス
を加えるためにコントローラが排気ステップ無しで作動
でき、その結果、内部酸素圧力が現在の外部酸素圧力を
追跡する。次に、正負のパルスの数が、電流平衡酸素示
度を決定するために実行総和に記録される。この方法に
よるゼロトラッキングモードの動作は、微細な亀裂また
は漏れ欠陥がある場合でさえ、効果的にセンサ全体の漏
洩を減少させ、その結果、示度はドリフトなしで拡張期
間の間正確なままである。動作を検出し追跡する間、壁
全体に検出されるΔＰネルンストセル出力が平衡に対す
る排出のためのフィードフォーワード信号として使用さ
れるかもしれず、そのうえ周囲の酸素濃度の即時測定値
として提供されるかもしれず、測定速度を大いに改善す
る。
【００１２】
【発明の実施の形態】図３に示される典型的な動作制御
回路と関連して、本発明の方法は、より詳細に以下で記
載されている。しかし、方法の実行に適応させられるセ
ンサの１つの特別な実施例は、最初に記載されている。
回路と関連して、本発明の方法は、より詳細に以下で記
載されている。しかし、方法の実行に適応させられるセ
ンサの１つの特別な実施例は、最初に記載されている。
【００１３】図１は、本発明の酸素センサ１の実施例を
示す。センサ１は、チューブとして形成される酸化ジル
コニウムの本体を含み、主に構成され、例えば、その末
端を閉じているプラグ４を有することにより、封止され
るエンクロージャまたはチャンバを構成する。本体は、
各々が例えば多孔性の白金コーティングで金属化された
外部表面３、内部表面５を有し、表面へ、または表面か
ら電荷の供給を可能にする。
示す。センサ１は、チューブとして形成される酸化ジル
コニウムの本体を含み、主に構成され、例えば、その末
端を閉じているプラグ４を有することにより、封止され
るエンクロージャまたはチャンバを構成する。本体は、
各々が例えば多孔性の白金コーティングで金属化された
外部表面３、内部表面５を有し、表面へ、または表面か
ら電荷の供給を可能にする。
【００１４】電着された酸化ジルコニウムシート酸素セ
ンサを作るための技術は周知であり、ここでは詳細にわ
たって記載されない。基本的に、酸化ジルコニウムのペ
ーストは、低いパーセンテージのイットリウム酸化物と
混ぜ合わされ、センサ本体としての形状に形成され、次
に、その構造を強化して固定するために約１４００〜１
５００度（摂氏）で焼結される。次に、センサ本体の表
面は、各々が導電性である外部表面３ａ、および内部表
面５ａを形成するために、例えば、白金インクでメッキ
してキャリアを焼き出すことにより金属化される。白金
は多孔性であり、使用中、意図された検出環境がそれ自
体高温環境でない限り、全体の組立ては、オーブン１０
内部で、図示されるように約７００度（摂氏）以上の温
度でまた操作され、表面３ａ、５ａ全体の電界の印加が
壁を通過する酸素イオンの流れの原因となる。リード線
５ｂ、３ｂは、酸素輸送によりそこで誘導される電気信
号を読むために、内部表面５および外部表面５にそれぞ
れ取り付けられる。
ンサを作るための技術は周知であり、ここでは詳細にわ
たって記載されない。基本的に、酸化ジルコニウムのペ
ーストは、低いパーセンテージのイットリウム酸化物と
混ぜ合わされ、センサ本体としての形状に形成され、次
に、その構造を強化して固定するために約１４００〜１
５００度（摂氏）で焼結される。次に、センサ本体の表
面は、各々が導電性である外部表面３ａ、および内部表
面５ａを形成するために、例えば、白金インクでメッキ
してキャリアを焼き出すことにより金属化される。白金
は多孔性であり、使用中、意図された検出環境がそれ自
体高温環境でない限り、全体の組立ては、オーブン１０
内部で、図示されるように約７００度（摂氏）以上の温
度でまた操作され、表面３ａ、５ａ全体の電界の印加が
壁を通過する酸素イオンの流れの原因となる。リード線
５ｂ、３ｂは、酸素輸送によりそこで誘導される電気信
号を読むために、内部表面５および外部表面５にそれぞ
れ取り付けられる。
【００１５】図示するように、本実施例では、当初から
または開いたシリンダ管状本体に栓をすることによりチ
ューブの一端は閉じられ、プラグ４はチューブの開口端
を閉じ、その一方で、適当な封止材料を用いてリード線
５ｂはプラグの中心を通過し、その結果、チューブの内
部は完全に閉じられて外部と分離される。この構造は、
単一の電線通過だけを使用する。プロトタイプ実施例で
は、チューブは、長さ１２ミリメートル、外径３ミリメ
ートルであるように組み立てられ、１ミリメートルの厚
さの壁および１０ミリメートルの深さの内部のチャンバ
を有する。中心穴を有する直径１ミリメートルのプラグ
が、チャンバの末端を閉じた。プロトタイプの動作のた
めに、センサはおよそ１５ミリメートルの深さの小さな
開口炉空胴の中に配置され、プローブのチップの上の炉
またはスタック内の挿入若しくは煙道ガスを測定するた
めの他のプラント位置に適している取り付けアセンブリ
と共に取り付けられた。
または開いたシリンダ管状本体に栓をすることによりチ
ューブの一端は閉じられ、プラグ４はチューブの開口端
を閉じ、その一方で、適当な封止材料を用いてリード線
５ｂはプラグの中心を通過し、その結果、チューブの内
部は完全に閉じられて外部と分離される。この構造は、
単一の電線通過だけを使用する。プロトタイプ実施例で
は、チューブは、長さ１２ミリメートル、外径３ミリメ
ートルであるように組み立てられ、１ミリメートルの厚
さの壁および１０ミリメートルの深さの内部のチャンバ
を有する。中心穴を有する直径１ミリメートルのプラグ
が、チャンバの末端を閉じた。プロトタイプの動作のた
めに、センサはおよそ１５ミリメートルの深さの小さな
開口炉空胴の中に配置され、プローブのチップの上の炉
またはスタック内の挿入若しくは煙道ガスを測定するた
めの他のプラント位置に適している取り付けアセンブリ
と共に取り付けられた。
【００１６】センサの外部表面領域は１平方センチメー
トルより僅かに小さく、内部チャンバ容積は約７．５×
１０-9ｍ3であり、適当な電流パルスを壁全体に加える
ことにより、チャンバから急速に酸素を抜き、短時間で
再充填することを可能にした。従って、シェルは正確に
測定値を分析するために既に十分に大きな急速反応のエ
ンクロージャを形成した。２５〜１００μＡの、好まし
くは約４０〜５０μＡの範囲の電流を使用して、約０．
５〜０．６Ｖの間のポンプ電圧が適切であるとわかっ
た。加えられた電荷は、チャンバに加えられるか除去さ
れる酸素の量の正確な測定を提供するために積分され
た。
トルより僅かに小さく、内部チャンバ容積は約７．５×
１０-9ｍ3であり、適当な電流パルスを壁全体に加える
ことにより、チャンバから急速に酸素を抜き、短時間で
再充填することを可能にした。従って、シェルは正確に
測定値を分析するために既に十分に大きな急速反応のエ
ンクロージャを形成した。２５〜１００μＡの、好まし
くは約４０〜５０μＡの範囲の電流を使用して、約０．
５〜０．６Ｖの間のポンプ電圧が適切であるとわかっ
た。加えられた電荷は、チャンバに加えられるか除去さ
れる酸素の量の正確な測定を提供するために積分され
た。
【００１７】図２Ａおよび２Ｂの断面図に示すように、
この実施例のセンサ１は長さＬ、およびより小さいが実
質的に均一な壁厚さｔを有し、それは、プロトタイプ実
施例に対してはおよそ１ミリメートルであった。壁の環
状の横断面は、酸素輸送の測定を複雑にせず、印加電圧
が酸化物材料を減少させないように十分に低く保たれる
限り（一般に約１．４Ｖ以下）、壁を横断して輸送され
る酸素イオンの数は直接積分された電流値または電荷に
より与えられる。さらに、管状の形状は容積に対する表
面領域の高い比率を提供し、その結果、上記した電圧お
よび電流の範囲内の連続した電流または一連の電流パル
スの印加により、センサの閉じた内部は容易に空にされ
るか、その酸素含有量は調整された。更に、高い精度が
単純な排出シーケンスによって得られるように、内部の
全容積は十分に大きい。この特性は、センサをポンプと
しても作動させるために利用され、緩和のための、達成
された圧力差を測定するための電池として適切な時間間
隔を可能にする。
この実施例のセンサ１は長さＬ、およびより小さいが実
質的に均一な壁厚さｔを有し、それは、プロトタイプ実
施例に対してはおよそ１ミリメートルであった。壁の環
状の横断面は、酸素輸送の測定を複雑にせず、印加電圧
が酸化物材料を減少させないように十分に低く保たれる
限り（一般に約１．４Ｖ以下）、壁を横断して輸送され
る酸素イオンの数は直接積分された電流値または電荷に
より与えられる。さらに、管状の形状は容積に対する表
面領域の高い比率を提供し、その結果、上記した電圧お
よび電流の範囲内の連続した電流または一連の電流パル
スの印加により、センサの閉じた内部は容易に空にされ
るか、その酸素含有量は調整された。更に、高い精度が
単純な排出シーケンスによって得られるように、内部の
全容積は十分に大きい。この特性は、センサをポンプと
しても作動させるために利用され、緩和のための、達成
された圧力差を測定するための電池として適切な時間間
隔を可能にする。
【００１８】本発明の更なる態様によると、完全なシス
テムは、（交互にポンプパルスを印加して、測定値を読
み、酸素の現在のレベルの実行情報を得続ける積分器ま
たはカウンタを含む）作動管理および電流読み取り管理
の間を切り替えるコントローラを利用する。コントロー
ラは、例えば、セルを空にし、その後で、酸素レベルが
大気の空気または他の基準と一致するレベルにセルを満
たすことによりセルを較正できる。あるいはまたは加え
て、作られた１つの基準測定値または内部較正を有する
コントローラは、ΔＰ＝０であるゼロ平衡を達成するこ
とにより周囲の酸素濃度を追跡するために連続的に作動
し、一方、チャンバ内部のゼロ平衡条件を達成または維
持するために、それらの極性を有する印加されたパルス
を合計する。
テムは、（交互にポンプパルスを印加して、測定値を読
み、酸素の現在のレベルの実行情報を得続ける積分器ま
たはカウンタを含む）作動管理および電流読み取り管理
の間を切り替えるコントローラを利用する。コントロー
ラは、例えば、セルを空にし、その後で、酸素レベルが
大気の空気または他の基準と一致するレベルにセルを満
たすことによりセルを較正できる。あるいはまたは加え
て、作られた１つの基準測定値または内部較正を有する
コントローラは、ΔＰ＝０であるゼロ平衡を達成するこ
とにより周囲の酸素濃度を追跡するために連続的に作動
し、一方、チャンバ内部のゼロ平衡条件を達成または維
持するために、それらの極性を有する印加されたパルス
を合計する。
【００１９】好ましい作動モードにおいて、センサは制
御および処理システムを図３に示すように備えている。
このシステムでは、センサセル１が、第１モードでは、
センサ壁の反対側の酸素濃度の差を示す電極線３ｂ、５
ｂに発生している信号を増幅する比較器１２にコントロ
ーラ１１により交互に接続され、または第２モードで
は、内部へ酸素を送り込むか、または内部からから酸素
を排出するために、パルスジェネレータまたは電流源１
７から規則的な電流パルスを受信する極性反転スイッチ
１５を経由して接続される。第２モードの各排出動作に
続いて、コントローラは短いタイムアウトまたは緩和間
隔を設定し、次に、単にΔＰ出力として参照される現在
のセル出力を測定するために第１モードに切り替える。
例えば、センサが７００度（摂氏）で作動するとき、ネ
ルンスト電圧を読む前に、吸入排出パルスが減衰するこ
とを許容するために、コントローラは１秒の遅延を提供
するかもしれない。必要な緩和時間は、印加された吸入
排出信号のレベルと共に増加し、高い温度と共に減少す
る。
御および処理システムを図３に示すように備えている。
このシステムでは、センサセル１が、第１モードでは、
センサ壁の反対側の酸素濃度の差を示す電極線３ｂ、５
ｂに発生している信号を増幅する比較器１２にコントロ
ーラ１１により交互に接続され、または第２モードで
は、内部へ酸素を送り込むか、または内部からから酸素
を排出するために、パルスジェネレータまたは電流源１
７から規則的な電流パルスを受信する極性反転スイッチ
１５を経由して接続される。第２モードの各排出動作に
続いて、コントローラは短いタイムアウトまたは緩和間
隔を設定し、次に、単にΔＰ出力として参照される現在
のセル出力を測定するために第１モードに切り替える。
例えば、センサが７００度（摂氏）で作動するとき、ネ
ルンスト電圧を読む前に、吸入排出パルスが減衰するこ
とを許容するために、コントローラは１秒の遅延を提供
するかもしれない。必要な緩和時間は、印加された吸入
排出信号のレベルと共に増加し、高い温度と共に減少す
る。
【００２０】吸入排出をセンサ内部の酸素のレベルを変
化させるために実施する際に、出力を急速にゼロにする
ために（即ち、ΔＰ＝０）、コントローラは単純な段階
的に変更された吸入排出シーケンスを印加する。ΔＰの
大きさが第１の閾値より大きいとき、これは最大電流ま
たは時間持続において、適当な極性のパルスを印加する
ことにより行なわれ、次に、ΔＰ出力の大きさがより小
さいレベルに下がったとき、吸入排出率を電流半値また
は持続半値パルスまで減少させ、ΔＰ出力がセンサのノ
イズ閾値内になるまで、このプロセスを続ける。この動
作追跡は、制御チップまたはセル出力が印加電流を制御
する単純なアナログ回路によって実施できる。一方で
は、最後の排出較正からセンサ内部に加えられたか除去
された酸素の量の実行検数を保持するために、印加電流
はカウンタまたは積分器１３により積分される。図示さ
れた回路において、比較器出力の極性は双方向性のアッ
プ／ダウンカウンタの方向を設定し、大きさはパルス高
さ、パルス幅、またはバイアスを設定するために使用で
きる。セルが周囲の空気の中に存在するとき、一般的な
動作シーケンスはセル内部を空にするために極性のパル
スを印加することにより始まり、そして次に、空気の一
定の酸素レベルと共に、積分された印加電流が次の動作
のために必要なチャンバ容積および計器係数を提供する
ように、環境内のΔＰ＝０を達成するために作動する。
その後で、吸入排出電流の実行検数は、周囲の酸素レベ
ルの直接的な測定を提供する。
化させるために実施する際に、出力を急速にゼロにする
ために（即ち、ΔＰ＝０）、コントローラは単純な段階
的に変更された吸入排出シーケンスを印加する。ΔＰの
大きさが第１の閾値より大きいとき、これは最大電流ま
たは時間持続において、適当な極性のパルスを印加する
ことにより行なわれ、次に、ΔＰ出力の大きさがより小
さいレベルに下がったとき、吸入排出率を電流半値また
は持続半値パルスまで減少させ、ΔＰ出力がセンサのノ
イズ閾値内になるまで、このプロセスを続ける。この動
作追跡は、制御チップまたはセル出力が印加電流を制御
する単純なアナログ回路によって実施できる。一方で
は、最後の排出較正からセンサ内部に加えられたか除去
された酸素の量の実行検数を保持するために、印加電流
はカウンタまたは積分器１３により積分される。図示さ
れた回路において、比較器出力の極性は双方向性のアッ
プ／ダウンカウンタの方向を設定し、大きさはパルス高
さ、パルス幅、またはバイアスを設定するために使用で
きる。セルが周囲の空気の中に存在するとき、一般的な
動作シーケンスはセル内部を空にするために極性のパル
スを印加することにより始まり、そして次に、空気の一
定の酸素レベルと共に、積分された印加電流が次の動作
のために必要なチャンバ容積および計器係数を提供する
ように、環境内のΔＰ＝０を達成するために作動する。
その後で、吸入排出電流の実行検数は、周囲の酸素レベ
ルの直接的な測定を提供する。
【００２１】好ましくは、一旦セルが印加された電荷の
間の比例関係を決定するために較正され、内部酸素レベ
ル内で変化し、ネルンスト出力電圧およびセンサ壁全体
のレベルの差の対応を決定したら、コントローラは現在
のネルンスト出力を読むことによりその追跡動作を実施
でき、この出力を圧力差に変換し、次に、出力を再びゼ
ロにするようにセンサ内部で測定された圧力差を生じさ
せるために計算されたポンプ駆動信号を印加する。測定
されたネルンスト出力はまた、吸入排出動作およびゼロ
動作が始まる前でさえ、新しい圧力値をアップデートし
て表示するために最も最近の酸素示度に印加できる。従
って、ネルンスト出力は、周囲のレベルを追跡するため
に第１の吸入排出サイクルの量を設定し、最後の示度か
らの変化に基づく混合出力測定値を発生するために、フ
ィードフォーワード信号として使用される。次の吸入排
出ステップが、必要に応じて実行され、これが信号がゼ
ロにはならなかったか、もはやゼロでないことを示す場
合、弛緩間隔およびネルンスト出力の測定が続く。
間の比例関係を決定するために較正され、内部酸素レベ
ル内で変化し、ネルンスト出力電圧およびセンサ壁全体
のレベルの差の対応を決定したら、コントローラは現在
のネルンスト出力を読むことによりその追跡動作を実施
でき、この出力を圧力差に変換し、次に、出力を再びゼ
ロにするようにセンサ内部で測定された圧力差を生じさ
せるために計算されたポンプ駆動信号を印加する。測定
されたネルンスト出力はまた、吸入排出動作およびゼロ
動作が始まる前でさえ、新しい圧力値をアップデートし
て表示するために最も最近の酸素示度に印加できる。従
って、ネルンスト出力は、周囲のレベルを追跡するため
に第１の吸入排出サイクルの量を設定し、最後の示度か
らの変化に基づく混合出力測定値を発生するために、フ
ィードフォーワード信号として使用される。次の吸入排
出ステップが、必要に応じて実行され、これが信号がゼ
ロにはならなかったか、もはやゼロでないことを示す場
合、弛緩間隔およびネルンスト出力の測定が続く。
【００２２】図５は、動作の方法１００および本発明の
検出の典型的なステップを図示し、その側面は上記し
た。方法は、較正段階６０、センサが作動中に測定環境
に配置される段階７０、および持続的な動作の段階８０
を含む。較正は、内部を排出するステップ６１、および
較正データを決定して記憶する１または複数の手順によ
り実行される。一般に、上記したように、これは、吸入
排出電荷が積分される間セルが公知の酸素環境内のポン
プとして作動する較正された充填ステップ６２を含む。
これはセル容積の完全な測定を提供し、壁構造または材
料に依存するいかなる必要な定数も決定し、その結果、
いかなる計器定数および電荷／圧力転換率も、ステップ
６３で初期セルまたはプロセッサセットアップの一部と
して記憶される。再調整が必要になる場合、現場では、
同じ一般的なステップが最初に実行され、セルを空に
し、大気の空気のような既知の基準でセルを再充填す
る。いずれにしても、初期較正に続いて、空にされたセ
ルが平衡に充填されたとき、センサはデューティに電荷
を数えるシーケンス７１、７２により配置され、測定さ
れた吸入排出電荷を記憶した計器特性を使用して酸素レ
ベル示度に変換する。上記のように、好ましい構造の形
状は高度に漏れの影響を受けないので、セルが初期較正
の後で空にされる場合、それはこの段階の開始時にセル
を更に空にする必要はない。しかし、初期排出は、壁の
保全性を確かめ、そのうえノイズレベルを観測し、動作
サイクルを始めることに役立つ。それが費用または不都
合を含まないので、この段階は好ましくはまたスタート
アップサイクルに含まれる。その後で、測定は、新しい
測定（ステップ７３）を実行する時間であるかどうか決
定し、次に、測定サイクル段階８０の継続した測定ステ
ップ８１、８２を実行することにより進行する。プロセ
ッサは、固定された時間遅れ（例えば、２分ごとに１
度）の後で測定を実行するようにプログラムされること
ができ、または、出力が周囲の条件が閾値量より多く変
化したことを示すとすぐに、ネルンスト出力を読んで新
しい測定の実行を進めることができる。
検出の典型的なステップを図示し、その側面は上記し
た。方法は、較正段階６０、センサが作動中に測定環境
に配置される段階７０、および持続的な動作の段階８０
を含む。較正は、内部を排出するステップ６１、および
較正データを決定して記憶する１または複数の手順によ
り実行される。一般に、上記したように、これは、吸入
排出電荷が積分される間セルが公知の酸素環境内のポン
プとして作動する較正された充填ステップ６２を含む。
これはセル容積の完全な測定を提供し、壁構造または材
料に依存するいかなる必要な定数も決定し、その結果、
いかなる計器定数および電荷／圧力転換率も、ステップ
６３で初期セルまたはプロセッサセットアップの一部と
して記憶される。再調整が必要になる場合、現場では、
同じ一般的なステップが最初に実行され、セルを空に
し、大気の空気のような既知の基準でセルを再充填す
る。いずれにしても、初期較正に続いて、空にされたセ
ルが平衡に充填されたとき、センサはデューティに電荷
を数えるシーケンス７１、７２により配置され、測定さ
れた吸入排出電荷を記憶した計器特性を使用して酸素レ
ベル示度に変換する。上記のように、好ましい構造の形
状は高度に漏れの影響を受けないので、セルが初期較正
の後で空にされる場合、それはこの段階の開始時にセル
を更に空にする必要はない。しかし、初期排出は、壁の
保全性を確かめ、そのうえノイズレベルを観測し、動作
サイクルを始めることに役立つ。それが費用または不都
合を含まないので、この段階は好ましくはまたスタート
アップサイクルに含まれる。その後で、測定は、新しい
測定（ステップ７３）を実行する時間であるかどうか決
定し、次に、測定サイクル段階８０の継続した測定ステ
ップ８１、８２を実行することにより進行する。プロセ
ッサは、固定された時間遅れ（例えば、２分ごとに１
度）の後で測定を実行するようにプログラムされること
ができ、または、出力が周囲の条件が閾値量より多く変
化したことを示すとすぐに、ネルンスト出力を読んで新
しい測定の実行を進めることができる。
【００２３】上記のように、最後の示度は周囲の酸素レ
ベル（即ち、ΔＰ＝０）を有する平衡の中に配置されて
いるセル内部をもたらし、現在の示度はステップ８１で
現在のネルンスト電圧を読むことにより開始される。好
ましい作動モードにおいて、プロセッサは、次に、即時
の酸素レベル測定値を提供するために現在の示度により
示される圧力差を最後に記憶された示度に加え、そのう
え必要な吸入排出電荷またはパルスカウントがネルンス
ト出力を再びゼロにすることを決定する。従って、セン
サシステムは、セル出力を常にゼロにするために作動
し、一方、すぐに、酸素レベルの測定実行を提供する。
この作動モードは、吸入排出および示度の間の電荷緩和
に含まれる作動時間の殆どまたは全部を除去し、従っ
て、両方とも、センサセル測定能力を促進して拡張し、
特に酸素レベルが固有の充填と同等の率で変化する時、
吸入排出および緩和時間をゼロにする。
ベル（即ち、ΔＰ＝０）を有する平衡の中に配置されて
いるセル内部をもたらし、現在の示度はステップ８１で
現在のネルンスト電圧を読むことにより開始される。好
ましい作動モードにおいて、プロセッサは、次に、即時
の酸素レベル測定値を提供するために現在の示度により
示される圧力差を最後に記憶された示度に加え、そのう
え必要な吸入排出電荷またはパルスカウントがネルンス
ト出力を再びゼロにすることを決定する。従って、セン
サシステムは、セル出力を常にゼロにするために作動
し、一方、すぐに、酸素レベルの測定実行を提供する。
この作動モードは、吸入排出および示度の間の電荷緩和
に含まれる作動時間の殆どまたは全部を除去し、従っ
て、両方とも、センサセル測定能力を促進して拡張し、
特に酸素レベルが固有の充填と同等の率で変化する時、
吸入排出および緩和時間をゼロにする。
【００２４】セル構造は微小な漏れの影響を殆ど受け
ず、このゼロトラッキング作動モードでは、センサが作
動中のとき、Ｏ2の差は大部分の時間の間、ゼロ近くに
保持される。したがって、漏れが起きた場合、差動装置
は駆動せず、漏洩のための内部の酸素レベルの変化は無
視できる。従って、記載されている操作方法は、現場の
較正の必要性を大いに減少させる。しかし、構造は、上
記動作の自己基準排出および充填モードにより、現場で
早く正確な再較正に役立つ。
ず、このゼロトラッキング作動モードでは、センサが作
動中のとき、Ｏ2の差は大部分の時間の間、ゼロ近くに
保持される。したがって、漏れが起きた場合、差動装置
は駆動せず、漏洩のための内部の酸素レベルの変化は無
視できる。従って、記載されている操作方法は、現場の
較正の必要性を大いに減少させる。しかし、構造は、上
記動作の自己基準排出および充填モードにより、現場で
早く正確な再較正に役立つ。
【００２５】この種の内部較正動作のために、検出セル
が、それが元の場所にある間、例えば基準測定に影響を
与えるためにスタック内に取り付けられている間、好ま
しくは、センサを浸すためにコントローラにより選択的
に印加される空気源を有するシステムに結合または一緒
に作動することを出願人は意図する。基準測定は、通常
の測定プロトコルの第１のステップとして作られ、また
は更に希なことには、表面堆積、材料劣化、オフセット
またはスケール訂正を必要とする漏洩のようなゆっくり
した変化に対して修正するために作られる。
が、それが元の場所にある間、例えば基準測定に影響を
与えるためにスタック内に取り付けられている間、好ま
しくは、センサを浸すためにコントローラにより選択的
に印加される空気源を有するシステムに結合または一緒
に作動することを出願人は意図する。基準測定は、通常
の測定プロトコルの第１のステップとして作られ、また
は更に希なことには、表面堆積、材料劣化、オフセット
またはスケール訂正を必要とする漏洩のようなゆっくり
した変化に対して修正するために作られる。
【００２６】図４は、この種のシステム３０を示す。図
示されるように、発電所の煙突のようなスタック５０の
ガス流れの中へ延びるプローブ本体２５の中に、上記の
ようにそのオーブン１０と一緒に検出セル１が取り付け
られている。プローブ本体５０は、検出環境の中にセル
を配置し、センサ自体がスタックを上昇させる材料の直
接的な流れから保護される、僅かに調節された据え付け
を提供する。プローブ本体は、それ自体が格納式であ
り、スタックガスの中へチップを進めるための電気また
は流体で動かされる位置決めアセンブリのようなアクチ
ュエータを有するか、または固定されたアセンブリであ
る。上記のように図３と関連した吸入排出／検出制御モ
ジュールは、プローブを通って延びている回路リード線
によりセンサセルに接続しており、プローブの外側の側
面に取り付けられた空気源４５を制御するためにまた接
続される。空気源４５は、空気の流れをプローブ本体を
通ってセンサ／オーブンアセンブリに供給するために取
り付けられ、その結果、空気源がコントローラにより起
動されるとき、センサは通常の大気の空気に浸され、こ
のために排気／再充填モードの間に選択的に起動される
スイッチがコントローラに取り付けられ、スタック５０
におけるセンサの通常の動作の間、コントローラが上記
の内部基準較正を実行することを可能にする。
示されるように、発電所の煙突のようなスタック５０の
ガス流れの中へ延びるプローブ本体２５の中に、上記の
ようにそのオーブン１０と一緒に検出セル１が取り付け
られている。プローブ本体５０は、検出環境の中にセル
を配置し、センサ自体がスタックを上昇させる材料の直
接的な流れから保護される、僅かに調節された据え付け
を提供する。プローブ本体は、それ自体が格納式であ
り、スタックガスの中へチップを進めるための電気また
は流体で動かされる位置決めアセンブリのようなアクチ
ュエータを有するか、または固定されたアセンブリであ
る。上記のように図３と関連した吸入排出／検出制御モ
ジュールは、プローブを通って延びている回路リード線
によりセンサセルに接続しており、プローブの外側の側
面に取り付けられた空気源４５を制御するためにまた接
続される。空気源４５は、空気の流れをプローブ本体を
通ってセンサ／オーブンアセンブリに供給するために取
り付けられ、その結果、空気源がコントローラにより起
動されるとき、センサは通常の大気の空気に浸され、こ
のために排気／再充填モードの間に選択的に起動される
スイッチがコントローラに取り付けられ、スタック５０
におけるセンサの通常の動作の間、コントローラが上記
の内部基準較正を実行することを可能にする。
【００２７】上記のシステム３０の動作のために、一時
的にスタックガスが調節された検出オーブンに入ること
を防ぐために、空気源４５が基準空気の十分な流れを供
給することが必要なだけである。気圧調節をされた空
気、他の基準ガスまたは混合物の弁で調節された容器
は、動作の拡張期間のために必要な基準を提供するのに
十分である。しかし、好ましくは、周囲の空気の存在に
依存して、またはオーブンを通して必要な気流を提供す
るために単純な送風機アセンブリを使用して、この条件
は受動的に実施される。基準ガスを提供するために、プ
ローブを通り、スタックの外側から受動的に空気を引き
出すスタックガス流によりベルヌーイ圧力が下がるよう
に、プローブチップがスタックの中に配置されることが
意図される。その場合、単純なフラップ弁は、較正ステ
ップの間、選択的に空気の進入を可能にするために操作
されるかもしれない。従って、較正されたスパンガスを
必要とするよりは、現場の較正は単に大気の酸素を使用
して達成される。
的にスタックガスが調節された検出オーブンに入ること
を防ぐために、空気源４５が基準空気の十分な流れを供
給することが必要なだけである。気圧調節をされた空
気、他の基準ガスまたは混合物の弁で調節された容器
は、動作の拡張期間のために必要な基準を提供するのに
十分である。しかし、好ましくは、周囲の空気の存在に
依存して、またはオーブンを通して必要な気流を提供す
るために単純な送風機アセンブリを使用して、この条件
は受動的に実施される。基準ガスを提供するために、プ
ローブを通り、スタックの外側から受動的に空気を引き
出すスタックガス流によりベルヌーイ圧力が下がるよう
に、プローブチップがスタックの中に配置されることが
意図される。その場合、単純なフラップ弁は、較正ステ
ップの間、選択的に空気の進入を可能にするために操作
されるかもしれない。従って、較正されたスパンガスを
必要とするよりは、現場の較正は単に大気の酸素を使用
して達成される。
【００２８】これは、センサセルの基礎的な実施例およ
び一定の好ましい実施の説明および本発明の測定システ
ムを完全なものにする。
び一定の好ましい実施の説明および本発明の測定システ
ムを完全なものにする。
【００２９】当業者であれば本発明の範囲および原理を
逸脱せずに、本発明を様々に修正および変更できること
は理解できよう。したがって、本発明は上述した例示的
な実施例に限定されるものではない。
逸脱せずに、本発明を様々に修正および変更できること
は理解できよう。したがって、本発明は上述した例示的
な実施例に限定されるものではない。
【図１】本発明の第１の実施例のセンサの斜視図を示
す、
す、
【図２】Ａ、Ｂは、それぞれ、軸を横断する、および軸
に沿う図１のセンサの断面図を示す、
に沿う図１のセンサの断面図を示す、
【図３】図１のセンサを利用している測定システムを示
す、
す、
【図４】図１の内的に較正されたセンサを使用している
スタックマウントシステムを示す、
スタックマウントシステムを示す、
【図５】動作の態様または段階を示しているフローチャ
ートである。
ートである。
１ 酸素センサ ３ 表面 ４ プラグ ５ 表面 １０ オーブン １１ コントローラ １２ 比較器 １３ 積分器 １５ 極性反転スイッチ １７ 電流源 ２５ プローブ本体 ３０ システム
Claims (17)
- 【請求項１】 内部表面および外部表面を有し、前記内
部および外部表面は、前記外部および内部表面で外部等
ポテンシャル面を確立するために有効な多孔性の導電性
コーティングを有し、前記壁が空のシェルを形成してい
る酸化ジルコニウム壁と、 閉じた空のチャンバを形成するためにシェルを閉じる密
閉手段と、 前記閉じた空のチャンバを外側に通過し、電気的に通信
するために前記内部表面に接続し、従って、シェルの厚
さ全体の酸素レベルの差を記憶または定め、それによっ
て、電荷を電極に印加することによりシェルが電気化学
的ポンプとして作動し、前記電極全体の電荷を検出する
ことにより、シェルは前記外部表面における酸素レベル
の効果的な較正および測定のためのネルンストセルとし
て作動する導体から成るセンサ本体を含むことを特徴と
する酸素センサ。 - 【請求項２】 前記酸化ジルコニウムシェルが、前記チ
ャンバを定めるチューブを形成し、前記チューブが長さ
Ｌ、半径ｒを有し、Ｌ＞＞ｒであることを特徴とする、
請求項１記載の酸素センサ。 - 【請求項３】 前記密閉手段が前記チューブの末端を封
止するプラグを含み、導体手段が前記プラグを経由して
内部表面の導電性コーティングに電気的に接続すること
を特徴とする、請求項２記載の酸素センサ。 - 【請求項４】 電流を印加し、前記導体全体の電圧を読
むための制御回路を更に含み、前記制御回路が、シェル
全体に酸素を輸送するために内部および外部表面の間の
電気化学イオン電流を確立する第１のステップを実行す
るために構成され、内部および外部表面の間の信号を検
出する第２のステップを実行するために、前記回路が、
交互の時間間隔で繰り返し前記第１および第２のステッ
プを実行していることを特徴とする、請求項１記載の酸
素センサ。 - 【請求項５】 密閉されたチャンバ内の酸素のレベルを
確立するシェル全体の酸素の吸入排出のための前記導体
手段に電流を印加するために第１モードで作動し、測定
を実行するシェル全体の電圧を読むために第２モードで
作動する制御回路を更に含むことを特徴とする、請求項
１記載の酸素センサ。 - 【請求項６】 前記制御回路が、前記第１モードで電流
を反対方向に印加するために使用でき、０基準レベルを
確立するために、前記チャンバから酸素を排出する前記
電流を最初に一方向へ印加し、その後で、レベル差ゼロ
を確立するために、前記チャンバの中へ酸素を送り込む
ために効果的な方向に電流を印加し、このことにより、
前記センサの漏洩およびドリフトを実質的に回避するこ
とを特徴とする、請求項１記載の酸素センサ。 - 【請求項７】 前記制御回路が、シェル全体の酸素圧力
差を減少させ、実質的にネルンスト電圧をゼロにするた
めに、フィードフォーワード信号としてネルンスト電圧
を受信することを特徴とする、請求項６記載の酸素セン
サ。 - 【請求項８】 前記制御回路が、酸素の完全な測定値を
提供するために、前記第１モードで印加される電荷を更
に積分することを特徴とする、請求項７記載の酸素セン
サ。 - 【請求項９】 前述の測定値を記憶するためのメモリを
更に含み、それによって、電荷積分手段は、差をゼロに
する前に即時の出力を提供するために、前記測定値から
酸素レベルの現在の測定値を決定することを特徴とす
る、請求項７記載の酸素センサ。 - 【請求項１０】 内部表面および外部表面を有する空の
封止されたエンクロージャを形成している酸化ジルコニ
ウム壁を提供し、前記内部表面および外部表面が、各々
の第１および第２の電極を備えており、 （ｉ）第１の時間の間、前記壁を通る電気化学酸素イオ
ン輸送をもたらすために、前記第１および第２電極全体
に電流を印加し、 （ｉｉ）第２の時間の間、前記壁全体の酸素の圧力差を
決定するために、前記第１および第２電極全体の電圧を
読み、前記第１および第２の時間は別々であり、電流を
印加する前記ステップが、前記封止されたエンクロージ
ャから実質的に全ての酸素を除去するか、または前記封
止されたエンクロージャにおいて、周囲の酸素レベルを
達成するために実行される各ステップから成ることを特
徴とする、酸素レベルを測定する方法。 - 【請求項１１】 電流を印加し電圧を読むステップが、
最初は封止されたエンクロージャから内部の酸素を実質
的に空にし、続いて、前記内部の酸素を外部の基準ガス
と実質的に等圧にし、それによりセンサを較正するため
に実行されることを特徴とする、請求項１０記載の方
法。 - 【請求項１２】 前記基準ガスを前記封止されたエンク
ロージャの外部のまわりに一時的に提供するステップを
含むことを特徴とする、請求項１１記載の方法。 - 【請求項１３】 外部の酸素レベルが変化するとき、微
小な漏れが酸素レベルを変化させずに前記示度の精度を
減衰させないために、壁全体の酸素レベルの実質的にゼ
ロである差を維持するために実行されることを特徴とす
る、請求項１２記載の方法。 - 【請求項１４】 空の封止されたチャンバを形成してい
る酸化ジルコニウム壁を有するセンサを較正し、その後
で、センサ壁全体の実質的にゼロである酸素レベルの差
を維持するように、センサを電気化学的イオンポンプと
して作動させるために電荷を壁に印可し、このことによ
り、正味の漏洩を減少させ、再調整なしに拡張期間の間
のセンサ精度を維持することを特徴とする、イオン輸送
型の酸素センサを操作する方法。 - 【請求項１５】 較正のステップが、センサを大気中の
酸素で充填するために必要な電荷を測定することにより
実行されることを特徴とする、請求項１４記載の方法。 - 【請求項１６】 実質的にゼロである酸素レベル差を維
持するステップが、 （ｉ）酸素レベル差を表すネルンスト電圧を読み、 （ｉｉ）差を大きく減少させるために、センサ全体の酸
素輸送に効果的な量の電荷を印加し、 （ｉｉｉ）差を効果的にゼロにするためにステップ
（ｉ）および（ｉｉ）を繰り返し、それにより、数回の
示度の反復を用いてセンサが周囲の圧力を追跡して応答
時間を改善する各ステップにより実行されることを特徴
とする、請求項１４記載の方法。 - 【請求項１７】 センサに印加される正味の電荷を合計
し、前記正味の電荷を電流酸素レベルの測定値に変換す
るステップを更に含むことを特徴とする、請求項１４記
載の方法。
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