JP3421192B2 - 限界電流式ガスセンサによる水蒸気濃度測定方法とその方法を利用した水蒸気濃度測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、固体電解質を用い
て、その内部を移動するイオンに基づく限界電流値から
水蒸気濃度を検出する限界電流式ガスセンサによる水蒸
気濃度測定方法及びそれを用いた測定装置に属する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、図９に示すように、ジルコニ
ア等の固体電解質基板３０の表面に陰陽一対の電極３
１，３２を設けるとともに、外気から陰極３２に通じる
気体流入口を微小な孔３３とし、陰極３２に向かう気体
拡散を制限することにより、その制限された気体が陰極
３２表面でイオン化されて固体電解質基板３０内部を移
動する際に生じる限界電流値から、ガス濃度を検出する
センサ（以下、「限界電流式ガスセンサ」という。）が
知られている。

【０００３】この限界電流式ガスセンサは、ガス濃度に
応じて正勾配をもって線形的に変化する限界電流を出力
する。従って、水蒸気センサとして利用する場合、既知
の水蒸気濃度とその限界電流値との対応関係を予め把握
しておけば、センサを測定雰囲気においたときの限界電
流値から水蒸気濃度を検出して濃度表示装置に表示する
ことができる。

【０００４】ところが、限界電流式ガスセンサを用いた
検出装置において、測定雰囲気によっては長期間使用す
ると、センサの劣化により印加電圧に対する出力が低下
して測定誤差を生じる。すなわち、測定ガスが水蒸気で
あるときは、同一水蒸気濃度に対して限界電流値が低下
することとなり、実際の水蒸気濃度よりも低濃度を表示
する。

【０００５】このように劣化したセンサの出力を補正す
る従来の方法は、次のようなものである。(1)センサを
湿度発生槽等の既知の水蒸気濃度の雰囲気に入れて出力
を補正する。(2)同じ限界電流式ガスセンサを用いて酸
素濃度を測定するときも、同一酸素濃度に対して限界電
流値が低下していることから、表示酸素濃度が大気中の
酸素濃度である２０．８％となるようにアンプの可変抵
抗等を調整することにより出力を補正する（特開平６−
３１７５５９号段落番号００１９）。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記(1)の補
正方法では、湿度発生槽等の大がかりな装置が必要であ
るから、センサの取り付け場所で補正することができな
い。また、上記(2)の方法では、濃度対限界電流値の線
形関係を平行移動させることはできるが、勾配を補正す
ることはできない。

【０００７】それ故、この発明の第１の目的は、限界電
流式ガスセンサを用いて、連続して正確に水蒸気濃度を
測定できる方法とその方法を利用した簡易な測定装置と
を提供することにある。第２の目的は、センサを特性の
異なる別のものと交換した場合でも、センサ取り付け場
所で短時間で出力を補正し継続して水蒸気濃度を測定で
きる方法とその方法を利用した水蒸気濃度測定装置を提
供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、この発明の限界電流式ガスセンサによる水蒸気濃度
測定方法は、酸素イオン伝導性の固体電解質基板、それ
に密着した陰陽一対の電極及び陰極への気体拡散を制限
する気体拡散制限手段を有するセンサを用い、それら電
極間に直流電圧を印加したときの出力信号に基づいて水
蒸気濃度を測定する方法において、該センサが一定の酸
素濃度ＰO_に応じて示す酸素濃度出力信号Ｓ_L1とその後
にセンサが同一酸素濃度Ｐ_Oに応じて示す酸素濃度出力
信号Ｓ_L1’との比Ｓ_L1／Ｓ_L1’を求めてそれを酸素濃度
補正係数ｋとし、センサが水蒸気濃度Ｐ_Hに応じて示す
水蒸気濃度出力信号Ｓ_L2’に酸素濃度補正係数ｋを乗じ
て補正信号ｋ＊Ｓ_L2’を算出し、水蒸気濃度Ｐ_Hと劣化
前のセンサの水蒸気濃度出力信号Ｓ_L2との対応関係Ｐ_H
＝ｆ（Ｓ_L2）［ｆ：関数記号］を参照して補正信号ｋ＊
Ｓ_L2’から水蒸気濃度を演算することを特徴とする。

【０００９】同じく、この発明の水蒸気濃度測定装置
は、酸素イオン伝導性の固体電解質基板、それに密着し
た陰陽一対の電極及び陰極への気体拡散を制限する気体
拡散制限手段を有するセンサと該センサが一定の酸素濃
度Ｐ_Oに応じて示す酸素濃度出力信号Ｓ_L1とその後にセ
ンサが同一酸素濃度Ｐ_Oに応じて示す酸素濃度出力信号
Ｓ_L1’との比Ｓ_L1／Ｓ_L1’を求めてそれを酸素濃度補正
係数ｋとし、センサが水蒸気濃度Ｐ_Hに応じて示す水蒸
気濃度出力信号Ｓ_L2’に酸素濃度補正係数ｋを乗じて補
正信号ｋ＊Ｓ_L2’を算出する出力補正演算手段と、水蒸
気濃度Ｐ_Hと劣化前のセンサの水蒸気濃度出力信号Ｓ_L2
との対応関係Ｐ_H＝ｆ（Ｓ_L2）［ｆ：関数記号］を参照
して補正信号ｋ＊Ｓ_L2’から水蒸気濃度を演算する出力
演算手段とを備えたことを特徴とする。

【００１０】尚、酸素濃度補正係数ｋに代えて、該セン
サが一定の水蒸気濃度Ｐ_Hに応じて示す水蒸気濃度出力
信号Ｓ_Hとその後にセンサが同一水蒸気濃度Ｐ_Hに応じて
示す水蒸気濃度出力信号Ｓ_H’との比Ｓ_H／Ｓ_H’を求め
てそれを補正係数ｋ（この場合は水蒸気濃度補正係数と
なる）とし、センサが水蒸気濃度Ｐ_Hに応じて示す水蒸
気濃度出力信号Ｓ_L2’に水蒸気濃度補正係数ｋを乗じて
補正信号ｋ＊Ｓ_L2’を算出してもよいが、水蒸気濃度の
補正の度に一定の水蒸気濃度を設定することはわずらわ
しいので、ｋを酸素濃度補正係数として求めるのが好ま
しい。

【００１１】本発明者等は、限界電流式ガスセンサの印
加電圧対限界電流値特性において、図５に示すように、
酸素濃度に対し、第１の平坦部Ｆ１に現れる第１の拡散
制限電流値Ｉ_L1と水蒸気濃度に対し、第２の平坦部Ｆ２
に現れる第２の拡散制限電流値Ｉ_L2は、各センサ素子毎
にまたセンサ素子の劣化の程度に応じて異なるものであ
るが、Ｉ_L1／Ｉ_L2比は、同一酸素濃度下で同一温度では
センサあるいはその劣化の程度が異なっても一定であ
り、水蒸気濃度に応じてのみ変化するものであることを
見出し、前記Ｉ_L1／Ｉ_L2比に基づいて水蒸気濃度を求め
ることを提案した（特開平４−５０７６３号公報）。

【００１２】本発明は、Ｉ_L1／Ｉ_L2比が一定である原理
を利用して、さらに例えば大気中の酸素濃度が一定であ
ることを利用し、上記特徴を備えることにより水蒸気濃
度を長期的に正確に測定することを可能にする。すなわ
ち、Ｉ_L1／Ｉ_L2比が一定であるということは、センサの
交換あるいはセンサの劣化に伴って、第１の平坦部Ｆ１
に現れる拡散制限電流値及び第２の平坦部Ｆ２に現れる
拡散制限電流値がそれぞれＩ_L1’及びＩ_L2’に変化して
も、その比Ｉ_L1’／Ｉ_L2’は交換前又は劣化前のＩ_L1／
Ｉ_L2比に等しい。式に表せばＩ_L1／Ｉ_L2＝Ｉ_L1’／
Ｉ_L2’である。従ってＩ_L1／Ｉ_L1’＝Ｉ_L2／Ｉ_L2’（＝
ｋ）も常に成り立つ。

【００１３】さて、水蒸気濃度に応じた、劣化センサの
第２の拡散制限電流値Ｉ_L2’を補正する場合、劣化する
前の第２の拡散制限電流値Ｉ_L2を基準にして劣化後のＩ
_L2’がどれだけ変化したかを比（α＝Ｉ_L2’／Ｉ_L2）で
求め、このαの逆数を補正係数（ｋ＝１／α）として用
いることもできるが、この補正方法は劣化前のＩ_L2を測
定したときと同じ測定雰囲気条件（同一水蒸気濃度、同
一温度及び同一酸素濃度）を必要とする。

【００１４】一方、本発明においては、劣化センサのＩ
_L2’を補正する場合、劣化前の第１の拡散制限電流値Ｉ
_L1を基準にして劣化後の第１の拡散制限電流値Ｉ_L1’が
この基準に対してどれだけ変化したかを比（Ｉ_L1’／Ｉ
_L1＝１／ｋ）で求め、このｋを補正係数に用いて劣化後
の第２の拡散制限電流値Ｉ_L2’又はＩ_L2’に関連する水
蒸気濃度（後述のＳ_L2’）等のデータを補正するもので
あり、有利な点は上述の方法に比べて、同一の水蒸気濃
度を必要としないことにある。

【００１５】つまり、Ｉ_L1は、水蒸気濃度に対して独立
したパラメータであり、大気中の酸素濃度が２０．８％
と一定であることから、それを基準として水蒸気濃度を
容易且つ確実に補正することができる。

【００１６】そこで、劣化前のセンサが例えば大気中の
ように既知の酸素濃度Ｐ_Oに応じて示す第１の拡散制限
電流値Ｉ_L1と、その後に交換され又は経時的に劣化した
センサが同一酸素濃度Ｐ_Oに応じて示す第１の拡散制限
電流値Ｉ_L1’との比Ｉ_L1／Ｉ_L1’を求めてそれを酸素濃
度補正係数ｋとする。ここで、酸素濃度補正係数ｋは、
比であって、各々の拡散制限電流値の絶対値を求めるこ
とは重要ではない。従って、拡散制限電流値の比に限ら
ず、拡散制限電流値を増幅した値の比であっても良い
し、電圧信号やデジタル信号に変換した値の比であって
も良い。よって、ｋを酸素濃度出力信号の比Ｓ_L1／
Ｓ_L1’とする。

【００１７】そして、交換され又は経時劣化したセンサ
が水蒸気濃度Ｐ_Hに応じて示す水蒸気濃度出力信号
Ｓ_L2’に酸素濃度補正係数ｋを乗じて補正信号ｋ＊
Ｓ_L2’を算出する。ここでも水蒸気濃度出力信号Ｓ_L2’
及び後述の水蒸気濃度出力信号Ｓ_L2は、第２の拡散制限
電流値、その増幅値、電圧値及びそれらのデジタル化値
のいずれでもよい。次に、水蒸気濃度Ｐ_Hと初期のセン
サの水蒸気濃度出力信号Ｓ_L2との対応関係Ｐ_H＝ｆ（Ｓ
_L2）［ｆ：関数記号］を参照する。既述の通りＩ_L1／Ｉ
_L2＝Ｓ_L1／Ｓ_L2＝一定であるから、Ｓ_L2／Ｓ_L2’＝α＝
ｋすなわちＳ_L2＝ｋ＊Ｓ_L2’となり、補正信号ｋ＊
Ｓ_L2’に基づいて水蒸気濃度を演算することができる。
従って、予めＰ_H＝ｆ（Ｓ_L2）を求めておけば、センサ
が交換され又は劣化して出力がＳ_L2からＳ_L2’に変化し
ても、Ｓ_L2を出力している初期状態と同じ水蒸気濃度が
表示される。

【００１８】

【発明の実施の形態】出力補正演算手段及び出力演算手
段は、通常マイコン内にデジタル回路として組まれる
が、アナログ回路でも良い。マイコン内に組むときは、
マイコンの入力側にＡ／Ｄコンバータ、出力側にＤ／Ａ
コンバータを接続する。センサからの出力信号として電
圧信号を用いるときは、センサから出力される電流信号
をプリアンプにて増幅し、電圧信号に変換する。

【００１９】センサは経時的に劣化するから、劣化後の
酸素濃度出力信号Ｓ_L1’及び水蒸気濃度出力信号Ｓ_L2’
も時間とともに変化する。従って、センサには水蒸気濃
度測定用電圧Ｖａ及び酸素濃度測定用電圧Ｖｂのいずれ
かが自在に印加されるようにしておくとともに、センサ
作動スイッチとは別個に出力補正スタートスイッチを設
け、出力補正スタートスイッチをＯＮする度に酸素濃度
測定電圧に基づいて酸素濃度の出力補正を行う出力補正
演算手段により酸素濃度補正係数ｋを更新するようにし
ておくと好ましい。こうすることで、理論的には永久に
正確な水蒸気濃度を測定することができる。また、出力
補正スタートスイッチが測定装置の作動時に自動的に作
動するように回路を構成しても良い。

【００２０】

【実施例】この発明の限界電流式ガスセンサ（以下、単
に「センサ」という。）による水蒸気濃度測定方法及び
水蒸気濃度測定装置の実施例を図面とともに説明する。
図１は、実施例に係わる限界電流式ガスセンサを示す斜
視図、図２は、図１のＡＡ断面図、図３は、図２の変形
例を示す断面図、図４は、図１のセンサの下部に固着さ
れるセラミックヒータを示す一部破断斜視図である。

【００２１】センサ１は、板状のセラミックヒータ２０
とその主面に一体的に設けられる酸素イオン伝導性を示
す固体電解質板である安定化ジルコニア板１０とこの安
定化ジルコニア板１０中に並べられて埋設される陽電極
３、陰電極２及びガス出口孔８とを備える。

【００２２】安定化ジルコニア板１０は酸化ジルコニウ
ムに安定化剤として酸化イットリウムを添加固溶させた
固体電解質であり、本実施例では厚さ０．３ｍｍ、縦５
ｍｍ、横２３ｍｍの大きさで、厚さ方向に貫通した通気
口９が中央に設けられている。なお、セラミックヒータ
２０と安定化ジルコニア板１０とは、ガス出口孔８を除
く他は平面視同一形状で、通気口９に整合する通気口１
５がセラミックヒータ２０にも設けられている。

【００２３】陽電極３、陰電極２は多孔質の白金層（厚
さ数十μｍ）であり、一辺約２ｍｍの電極部３ａ，２
ａ、長寸のリード部３ｂ，２ｂ及び取り出し部３ｃ，２
ｃからなる。リード部２ｂは、その中間で白金層が分岐
して安定化ジルコニア板１０の側面に導出しており、ガ
ス導入部６を形成している。そして、リード部２ｂのう
ち、このガス導入部６から陰電極部２ａに至るまでの長
さ分がガス拡散制限部７となる。

【００２４】ガス出口孔８は、陽電極部３ａの位置に対
応して安定化ジルコニア板１０に設けられた孔であり、
陽電極部３ａと外部とを連通する。なお、ガス出口孔８
は陽電極部３ａと外部とが通じていればどんな形状、大
きさであっても良い。次に、センサ１の製造方法を述べ
る。

【００２５】セラミックヒータ２０は、焼成後に通気口
１５となる孔を打ち抜いた無機成分中のアルミナ含有率
が９６重量％のグリーンシートの上面に白金ペーストで
ヒータパターン１２を印刷し、端部に白金端子１３，１
４をのせた後、同質のアルミナグリーンシートを被せ、
これを焼成一体化して製造される（図４）。

【００２６】一方、焼成後に通気口９となる孔をあけた
ジルコニア９２モル％及びイットリア８モル％の固体電
解質を含むグリーンシート上に、焼成後に陽電極３、陰
電極２となるように白金ペーストを印刷し、端部に白金
端子４，５をのせた後、同質のグリーンシートを積層
し、約１５００℃で一体焼成することにより、安定化ジ
ルコニア板１０、陰陽電極２，３及び白金端子４，５か
らなるセンサ素子を製造する。２枚のグリーンシート
は、断面を観察しても図２のように一体化して見分けが
つかなくなる。

【００２７】なお、白金ペーストの印刷されるグリーン
シートは、酸素イオン伝導性固体電解質を主成分とする
ことが必要であるが、その上に積層されるグリーンシー
トは、それに限らず、例えばアルミナを主成分とするも
ののように同様に密封でき焼成できるものであれば良
い。その場合は、断面を観察すると、図３のように両シ
ートの境界線が残る。

【００２８】センサ素子は、封着ガラス等を用いてセラ
ミックヒータ２０の表面に約８００℃で固着されセンサ
１となる。次にセンサ１の動作を説明する。

【００２９】センサ１を測定ガス中に配置し、各電極部
２ａ，３ａが局所的に約５００℃となるようにセラミッ
クヒータ２０に通電した後、陽電極３と陰電極２の間に
電圧を印加する。すると、陰電極２の陰電極部２ａ内部
の酸素は、イオン化されて酸素イオンとなり、印加電圧
Ｖに応じて陰電極２から陽電極３に輸送される。この
時、安定化ジルコニア板１０のうち陰電極部２ａに隣接
する部分のみが局所的に加熱され、ガス拡散制限部７に
隣接する部分は酸素イオン伝導性を示す程充分に加熱さ
れていないため、ガス導入部６から導入された酸素は安
定化ジルコニア板１０内を伝導することなくガス拡散制
限部７を通って陰電極部２ａ内に拡散する。そして、各
電極部２ａ，３ａの付近のジルコニアは前記の通り充分
に加熱されているので、酸素イオン伝導性を示し、ガス
導入部６から陰電極部２ａに拡散してきた酸素成分をイ
オン化して電極部３ａに輸送し、ガス出口孔８より排出
する。従って、陽電極３−陰電極２間に流れる電流Ｉ
は、図５に示すように変化する。

【００３０】印加電圧ＶがＶ１より低いときは印加電圧
Ｖに応じて酸素イオンが伝導するので、電流値もそれに
比例して変化するが、印加電圧Ｖが電圧値Ｖ１〜Ｖ２に
おいては、陰電極部２ａ内への酸素拡散量が陰電極２の
ガス拡散制限部７で制御され、測定ガス中の酸素濃度に
応じた値となるため、それに伴い電流値は制限されて第
１の拡散制限電流値Ｉ_L1となり第１の平坦部Ｆ１として
現れる。印加電圧Ｖが第１の拡散制限電流値Ｉ_L1が得ら
れる電圧値Ｖ２（通常１．２Ｖ）よりさらに高くなる
と、測定ガス中の水蒸気が電気分解され、その分解で生
じた酸素イオンがさらに増加し陽電極３にポンピングさ
れるため、水蒸気も陰電極２のガス導入部６から陰電極
部２ａ内へ拡散し、拡散量に応じて電流値が増大する。

【００３１】印加電圧Ｖをさらに高くすると電流値は水
蒸気濃度に応じてさらに増大するが、電圧値Ｖ３〜Ｖ４
に達すると、陰電極２のガス拡散制限部７で水蒸気の拡
散量が制限され、それに伴い電流値も制限され、測定ガ
ス中の水蒸気濃度に応じた第２の拡散制限電流値Ｉ_L2と
なり第２の平坦部Ｆ２を示す。Ｉ_L1／Ｉ_L2比は、測定ガ
スの成分の量が同じであれば原理的に常に一定である。

【００３２】この第２の拡散制限電流値Ｉ_L2は酸素濃度
一定の場合（例えば大気中）、水蒸気濃度に応じて図６
のように右上がりに線形的に変化する。従って、第２の
拡散制限電流値Ｉ_L2又はそれと比例関係にある出力電圧
を検出信号として取り出すことにより、水蒸気濃度を測
定することができる。

【００３３】このセンサを用いて図７のような回路構成
の検出装置で出力を取り出すようにする。検出装置は、
センサ１と、センサ１の電極２，３間に印加する電圧を
通常計測時に用いる水蒸気濃度測定用電圧Ｖa（約２．
０Ｖ）又は出力補正時に用いる酸素濃度測定用電圧Ｖb
（約１．０Ｖ）に切り換えるセンサ電圧切り換え回路７
１と、センサ１から出力される電流信号を増幅し電圧信
号に変換するプリアンプ７２と、その電圧信号をデジタ
ル化するＡ／Ｄコンバータと、デジタル化された信号を
演算するマイコン７３と、マイコン７３から出されたデ
ータをアナログ化するＤ／Ａコンバータと、アナログ化
された信号を水蒸気濃度表示部７４に送る出力回路７５
と、水蒸気濃度表示部７４を備える。

【００３４】マイコン７３は、ＣＰＵと、主として出力
演算部及び出力補正演算部の２つのプログラムが格納さ
れたＲＯＭ、ＲＡＭ等のメモリーとからなる。出力演算
部には、予め水蒸気濃度Ｐ_Hと製造直後のセンサ１から
水蒸気濃度に応じてプリアンプ７２及びＡ／Ｄコンバー
タを通して入力された水蒸気濃度出力信号Ｓ_L2との対応
関係Ｐ_H＝ｆ（Ｓ_L2）が記憶されており、その後に水蒸
気濃度に応じて入力される水蒸気濃度出力信号Ｓ_L2’を
Ｐ_H＝ｆ（Ｓ_L2）のＳ_L2に代入して水蒸気濃度Ｐ_Hを演算
できるようになっている。

【００３５】また、出力補正演算部には予め、製造直後
のセンサ１から酸素濃度Ｐ_Oに応じてプリアンプ７２及
びＡ／Ｄコンバータを通して入力された酸素濃度出力信
号の初期値Ｓ_L1が記憶されており、その後に出力補正ス
タートスイッチＯＮの状態で同一酸素濃度Ｐ_Oに応じて
酸素濃度出力信号Ｓ_L1’が入力されたとき、（Ｓ_L1／Ｓ
_L1’）＝ｋを算出し、さらに上記水蒸気濃度出力信号Ｓ
_L2’に酸素濃度補正係数ｋを乗じて補正信号ｋ＊Ｓ_L2’
を算出できるようになっている。そして、酸素濃度補正
係数ｋが算出されたときは、それ以後にマイコンに入力
される水蒸気濃度出力信号Ｓ_L2’は、一旦出力補正演算
部で常に補正信号ｋ＊Ｓ_L2’に補正されてから出力演算
部に戻り、補正信号ｋ＊Ｓ_L2’から水蒸気濃度が演算さ
れる。ただし、酸素濃度補正係数ｋを算出するプログラ
ムは、出力補正スタートスイッチをＯＮする度に実行さ
れ、酸素濃度補正係数ｋが更新される。なお、出荷時は
ｋ＝１に設定されている。

【００３６】センサ印加電圧Ｖは、通常測定時には水蒸
気濃度に応じた拡散制限電流値Ｉ_L2の得られるＶａ（＝
Ｖ３〜Ｖ４）に設定される。すると、この拡散制限電流
値Ｉ_L2は、プリアンプ７２にて増幅され電圧信号に変換
され、続いてＡ／Ｄコンバータにてデジタル化されて水
蒸気濃度出力信号Ｓ_L2としてマイコン７３に送られる。
マイコン７３内では入力された水蒸気濃度出力信号Ｓ_L2
を対応関係Ｐ_H＝ｆ（Ｓ_L2）と照合して水蒸気濃度を演
算し、出力する。その出力データはＤ／Ａコンバータに
てアナログ化され、出力回路７５にて水蒸気濃度表示部
７４に送られる。次に上記の水蒸気濃度測定装置におい
てセンサ１が劣化した場合に水蒸気濃度出力を補正する
方法を説明する。

【００３７】先ず、センサ１が劣化する前の初期状態す
なわち製造直後の状態でセンサ印加電圧Ｖを酸素濃度に
応じた第１の拡散制限電流値Ｉ_L1の得られるＶｂ（＝Ｖ
１〜Ｖ２）に設定したとき、濃度表示部が測定ガス中の
酸素濃度（大気中の場合２０．８％）を表示するように
調整しておく。ここで、センサ１の劣化によって、同一
酸素濃度に応じて出力する第１拡散制限電流がＩ_L1から
Ｉ_L1’に変化したとする（図８(a)）。そのとき、前記
の同一酸素濃度の雰囲気（例えば大気）にセンサ１を配
置し、出力補正スタートスイッチをＯＮにする。センサ
印加電圧はＶａからＶｂに切り替わり、Ｉ_L1’に対応し
た酸素濃度出力信号Ｓ_L1’がマイコン７３に入力され
る。この信号Ｓ_L1’と初期にマイコン７３に記憶されて
いた酸素濃度出力信号Ｓ_L1を基に酸素濃度補正係数ｋが
更新され、マイコン７３に記憶される。

【００３８】出力補正スタートスイッチをＯＦＦにし
て、センサ印加電圧ＶをＶａに切り換え、通常の水蒸気
濃度を測定する状態に戻す。このときにセンサ１に劣化
があると、水蒸気濃度に応じて出力する第２の拡散制限
電流値がＩ_L2からＩ_L2’に変化する（図８(b)）。
Ｉ_L2’に対応した水蒸気濃度出力信号Ｓ_L2’がマイコン
７３に入力され、酸素濃度補正係数ｋが乗じられて、補
正信号ｋ＊Ｓ_L2’がＳ_L2に代わってＰ_H＝ｆ（Ｓ_L2）と
照合され、水蒸気濃度が補正演算されて水蒸気濃度表示
部７４に表示される。

【００３９】既述の通り、Ｉ_L1／Ｉ_L2＝一定であるから
Ｓ_L1／Ｓ_L2＝一定である。従って、Ｓ_L1／Ｓ_L1’＝Ｓ_L2
／Ｓ_L2’＝ｋとなる。こうしてｋ＊Ｓ_L2’＝Ｓ_L2である
から、センサの劣化の程度に係わらず水蒸気濃度出力は
補正されて正しい値となる。

【００４０】本例では、センサとして図１に示す構造の
ものを用いたが、図９や図１０に示すような他の構造の
センサにも適用可能であることはいうまでもない。図９
に示すセンサは、冒頭で既に説明したが、図１０に示す
センサは、陰極３２を覆う箱体３４自体を多孔質とし
て、これを拡散制限手段に用いるものであり、箱体３４
を図９の微小な孔３３に相当する気体拡散制限孔と兼ね
る構造のものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例の水蒸気濃度測定装置に用いる限界電流
式ガスセンサを示す斜視図である。

【図２】図１のＡＡ断面図である。

【図３】図２の変形例を示す断面図である。

【図４】図１の限界電流式ガスセンサに用いるセラミッ
クヒータを示す一部破断斜視図である。

【図５】限界電流式ガスセンサに印加される電圧対その
センサに流れる電流の特性を示すグラフである。

【図６】限界電流式ガスセンサによる水蒸気濃度対第２
の拡散制限電流の関係を示すグラフである。

【図７】実施例の水蒸気濃度測定装置の回路システムの
構成を示す図である。

【図８】限界電流式ガスセンサに印加される電圧対その
センサに流れる電流の特性の劣化状況を示すグラフであ
る。

【図９】この発明に適応可能な他の限界電流式ガスセン
サを示す断面図である。

【図１０】この発明に適応可能な他の限界電流式ガスセ
ンサを示す断面図である。

【符号の説明】

１ ガスセンサ ２ 陰電極 ２ａ 陰電極部 ２ｂ リード部 ２ｃ 取り
出し部 ３ 陰電極 ３ａ 陽電極部 ３ｂ リード部 ３ｃ 取り
出し部 ６ ガス導入部 ７ ガス拡散制限部 ４，５，１３，１４ 白金端子 ８ ガス出口孔 ９，１５ 通気孔 １０ 安定化ジルコニア板 ２０ セラミックヒータ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平４−50763（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−264249（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−317559（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−87773（ＪＰ，Ａ) 実開 平４−45964（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01N 27/41 G01N 27/416

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】酸素イオン伝導性の固体電解質基板、それ
   に密着した陰陽一対の電極及び陰極への気体拡散を制限
   する気体拡散制限手段を有するセンサを用い、それら電
   極間に直流電圧を印加したときの出力信号に基づいて水
   蒸気濃度を測定する方法において、 該センサが一定の酸素濃度Ｐ_Oに応じて示す酸素濃度出
   力信号Ｓ_L1とその後にセンサが同一酸素濃度Ｐ_Oに応じ
   て示す酸素濃度出力信号Ｓ_L1’との比Ｓ_L1／Ｓ_L1’を求
   めてそれを酸素濃度補正係数ｋとし、 センサが水蒸気濃度Ｐ_Hに応じて示す水蒸気濃度出力信
   号Ｓ_L2’に酸素濃度補正係数ｋを乗じて補正信号ｋ＊Ｓ
   _L2’を算出し、水蒸気濃度Ｐ_Hと劣化前のセンサの水蒸
   気濃度出力信号Ｓ_L2との対応関係Ｐ_H＝ｆ（Ｓ_L2）
   ［ｆ：関数記号］を参照して補正信号ｋ＊Ｓ_L2’から水
   蒸気濃度を演算することを特徴とする限界電流式ガスセ
   ンサによる水蒸気濃度測定方法。
2. 【請求項２】酸素イオン伝導性の固体電解質基板、それ
   に密着した陰陽一対の電極及び陰極への気体拡散を制限
   する気体拡散制限手段を有するセンサと該センサが一定
   の酸素濃度Ｐ_Oに応じて示す酸素濃度出力信号Ｓ_L1とそ
   の後にセンサが同一酸素濃度Ｐ_Oに応じて示す酸素濃度
   出力信号Ｓ_L1’との比Ｓ_L1／Ｓ_L1’を求めてそれを酸素
   濃度補正係数ｋとし、センサが水蒸気濃度Ｐ_Hに応じて
   示す水蒸気濃度出力信号Ｓ_L2’に酸素濃度補正係数ｋを
   乗じて補正信号ｋ＊Ｓ_L2’を算出する出力補正演算手段
   と、 水蒸気濃度Ｐ_Hと劣化前のセンサの水蒸気濃度出力信号
   Ｓ_L2との対応関係Ｐ_H＝ｆ（Ｓ_L2）［ｆ：関数記号］を
   参照して補正信号ｋ＊Ｓ_L2’から水蒸気濃度を演算する
   出力演算手段とを備えたことを特徴とする限界電流式ガ
   スセンサによる水蒸気濃度測定装置。
3. 【請求項３】更に、酸素濃度出力信号Ｓ_L1が変動したと
   きにセンサへの印加電圧を切り換える電圧切り換え手段
   を備えた請求項２に記載の水蒸気濃度測定装置。
4. 【請求項４】酸素イオン伝導性の固体電解質基板、それ
   に密着した陰陽一対の電極及び陰極への気体拡散を制限
   する気体拡散制限手段を有するセンサを用い、それら電
   極間に直流電圧を印加したときの出力信号に基づいて水
   蒸気濃度を測定する方法において、 該センサが一定の水蒸気濃度Ｐ_Hに応じて示す水蒸気濃
   度出力信号Ｓ_Hとその後にセンサが同一水蒸気濃度Ｐ_Hに
   応じて示す水蒸気濃度出力信号Ｓ_H’との比Ｓ_H／Ｓ_H’
   を求めてそれを水蒸気濃度補正係数ｋとし、 センサが水蒸気濃度Ｐ_Hに応じて示す水蒸気濃度出力信
   号Ｓ_L2’に水蒸気濃度補正係数ｋを乗じて補正信号ｋ＊
   Ｓ_L2’を算出し、水蒸気濃度Ｐ_Hと劣化前のセンサの水
   蒸気濃度出力信号Ｓ_L2との対応関係Ｐ_H＝ｆ（Ｓ_L2）
   ［ｆ：関数記号］を参照して補正信号ｋ＊Ｓ_L2’から水
   蒸気濃度を演算することを特徴とする限界電流式ガスセ
   ンサによる水蒸気濃度測定方法。
5. 【請求項５】酸素イオン伝導性の固体電解質基板、それ
   に密着した陰陽一対の電極及び陰極への気体拡散を制限
   する気体拡散制限手段を有するセンサと該センサが一定
   の水蒸気濃度Ｐ_Hに応じて示す水蒸気濃度出力信号Ｓ_Hと
   その後にセンサが同一水蒸気濃度Ｐ_Hに応じて示す水蒸
   気濃度出力信号Ｓ_H’との比Ｓ_H／Ｓ_H’を求めてそれを
   水蒸気濃度補正係数ｋとし、センサが水蒸気濃度Ｐ_Hに
   応じて示す水蒸気濃度出力信号Ｓ_L2’に水蒸気濃度補正
   係数ｋを乗じて補正信号ｋ＊Ｓ_L2’を算出する出力補正
   演算手段と、 水蒸気濃度Ｐ_Hと劣化前のセンサの水蒸気濃度出力信号
   Ｓ_L2との対応関係Ｐ_H＝ｆ（Ｓ_L2）［ｆ：関数記号］を
   参照して補正信号ｋ＊Ｓ_L2’から水蒸気濃度を演算する
   出力演算手段とを備えたことを特徴とする限界電流式ガ
   スセンサによる水蒸気濃度測定装置。