(57)【要約】【課題】高酸素濃度を含む広い酸素濃度範囲の測定誤差が抑制されて、高精度に測定できる酸素濃度測定方法及び酸素濃度測定装置を提供する。【解決手段】酸素濃度測定装置は、拡散層を介して測定ガスが導かれる測定ガス室が形成された酸素イオン伝導性の固体電解質層に、一対の電極を設けて、これら電極の一方を測定ガス室に配置するとともに、これら電極の他方を外部空間に配置して、酸素ポンピング作用により外部空間から測定ガス室へ酸素ガスを供給するポンピングセルを形成する。酸素濃度測定方法は、ポンピングセルに印加される印加電圧Ｖｐに応じて流れると想定される想定電流Ｉｐ’と、測定ガス室の酸素濃度に応じて決まるポンピングセルの計測電流Ｉｐとの電流差ΔＩｐが設定値を保つように印加電圧Ｖｐを変化させることで、電流差ΔＩｐが設定値であるときの印加電圧Ｖｐから酸素濃度を測定する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素イオン伝導性の固体電解質層に一対の電極を設けて、その一方の電極には拡散層を介した測定ガスが接触するように構成し、両電極間に電圧を印加することにより酸素ポンピング作用により酸素ガスを両電極間で移動するポンピングセルを形成する酸素センサを用い、
前記ポンピングセルに印加される印加電圧に応じて流れると想定される想定電流と、実際の酸素濃度に応じて流れる同ポンピングセルの計測電流との電流差、または電流差から算出される電圧を一定値に保つように前記印加電圧を変化させることで、前記計測電流または前記印加電圧に基づいて酸素濃度を測定する
ことを特徴とする酸素濃度測定方法。
【請求項２】
酸素イオン伝導性の固体電解質層に一対の電極を設けて、その一方の電極には拡散層を介した測定ガスが接触するように構成し、両電極間に電圧を印加することにより酸素ポンピング作用により酸素ガスを両電極間で移動するポンピングセルを形成する酸素センサを用い、
前記ポンピングセルに印加される印加電圧に応じて流れると想定される想定電流と、実際の酸素濃度に応じて流れる同ポンピングセルの計測電流との電流差の変化に対して前記印加電圧を逆変化させることで、前記計測電流または前記印加電圧に基づいて酸素濃度を測定する
ことを特徴とする酸素濃度測定方法。
【請求項３】
酸素イオン伝導性の固体電解質層に一対の電極を設けて、その一方の電極には拡散層を介した測定ガスが接触するように構成し、両電極間に電圧を印加することにより酸素ポンピング作用により酸素ガスを両電極間で移動するポンピングセルを形成する酸素センサと、
前記酸素センサを設けた測定容器と、
前記測定ガスの流量を調節する調量弁と、
前記測定ガスの圧力を一定にする圧力制御器と、
前記測定ガスの流量を計測する流量計と、
前記酸素センサを通電制御するとともに、検出された電圧値及び電流値から酸素濃度を演算処理して酸素濃度を出力する制御装置と、を備えた酸素濃度測定装置において、
前記ポンピングセルに印加される印加電圧に応じて流れると想定される想定電流と、実際の酸素濃度に応じて流れる同ポンピングセルの計測電流との電流差、または電流差から算出される電圧差を一定値に保つように前記印加電圧を変化させることで、前記計測電流または前記印加電圧に基づいて酸素濃度を測定する
ことを特徴とする酸素濃度測定装置。
【請求項４】
酸素イオン伝導性の固体電解質層に一対の電極を設けて、その一方の電極には拡散層を介した測定ガスが接触するように構成し、両電極間に電圧を印加することにより酸素ポンピング作用により酸素ガスを両電極間で移動するポンピングセルを形成する酸素センサと、
前記酸素センサを設けた測定容器と、
前記測定ガスの流量を調節する調量弁と、
前記測定ガスの圧力を一定にする圧力制御器と、
前記測定ガスの流量を計測する流量計と、
前記酸素センサを通電制御するとともに、検出された電圧値及び電流値から酸素濃度を演算処理して酸素濃度を出力する制御装置と、を備えた酸素濃度測定装置において、
前記ポンピングセルに印加される印加電圧に応じて流れると想定される想定電流と、実際の酸素濃度に応じて流れる同ポンピングセルの計測電流との電流差の変化に対して前記印加電圧を逆変化させることで、前記計測電流または前記印加電圧に基づいて酸素濃度を測定する
ことを特徴とする酸素濃度測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、酸素濃度測定方法とそれに用いられる酸素濃度測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
各種ガス中の酸素濃度を計測する装置として、酸素イオン伝導性の固体電解質層と基準ガスに晒される基準電極と測定ガスに晒される測定電極とからなる濃淡電池セルを設け、濃淡電池セルの濃淡電池作用により、基準ガスと測定ガスとの酸素濃度差に応じた起電力値を得るようにした濃淡電池型の酸素センサを用いた酸素濃度測定装置が知られている。このような濃淡電池型の酸素センサでは、その起電力はネルンストの式に従うため、酸素濃度の対数に比例し、酸素濃度が高くなると信号感度（Ｓ／Ｎ比）が小さくなる。
【０００３】
また、酸素イオン導電性の固体電解質に一対の電極を設け、その片方の電極に拡散層を介して被測定ガスが接触するように構成し、両電極間に電圧を印加することにより酸素ポンピング作用により酸素ガスを移動させ、拡散律速状態となるようにした時に、両電極間に流れる電流により酸素濃度を測定する酸素センサ（限界電流型酸素センサ）を用いた酸素濃度測定装置が知られている。このような限界電流型の酸素センサでは、広い領域で信号感度（Ｓ／Ｎ比）が大きいという特徴がある。
【０００４】
さらに、その限界電流型酸素センサのポンピングセルと濃淡電池酸素センサの濃淡電池セルとの両セルを持つ２セル式の酸素濃度測定装置が開発され、還元領域に測定範囲を広げる事が可能となった（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
図１５に示されるように、２セル式の酸素センサを用いた酸素濃度測定装置は、酸素イオン伝導性の固体電解質層１０と固体電解質層１０の下部１０ｂに一対の測定電極１５と基準ガス室１４に配設される基準電極１６とからなる濃淡電池セル１２を備えている。
【０００６】
そして、この酸素センサは、拡散層１７を通じて測定ガスが導かれる測定ガス室１３が測定電極１５の周りに形成されるとともに、酸素イオン伝導性の固体電解質層１０の上部１０ａに一対の外部ポンピング電極１８及び内部ポンピング電極１９とからなるポンピングセル１１が設けられている。外部ポンピング電極１８は外部ガス空間に配設され、内部ポンピング電極１９は測定ガス室１３に配設されている。また、図示しないヒーターにより所定の温度（例えば８００℃）に加熱された状態で測定を行う。
【０００７】
この２セル式の酸素センサを用いた酸素濃度測定装置は、濃淡電池セル１２の測定電極１５と基準電極１６との間の起電力Ｖｓが一定値（限界電流が発生するような電圧。例えば４５０ｍＶ。）となるように、ポンピングセル１１のポンピング電流Ｉｐが調節される。すると、起電力Ｖｓが設定値となるとともに、ポンピング電流Ｉｐが限界電流状態となる。
【０００８】
このときのポンピング電流Ｉｐから酸素濃度が算出される。詳しくは、測定ガスの酸素濃度が高い場合には、測定ガス室１３の酸素濃度が例えば０．００３ｐｐｍで基準ガス室１４の酸素濃度が略１００％に相当した起電力Ｖｓ（４５０ｍＶ）となるようポンピングセル１１の酸素ポンピング作用により測定ガス室１３から酸素イオンとしてポンピングセル１１内を移動させてガス空間に酸素ガスを放出する。
【０００９】
また、測定ガスの酸素濃度が低い場合や還元ガスの場合には、ポンピングセル１１の酸素ポンピング作用によりガス空間から酸素イオンとしてポンピングセル１１内を移動させて測定ガス室１３に酸素ガスを供給する。
【００１０】
すなわち、この酸素濃度測定装置は、測定ガスの酸素濃度に応じてポンピングセル１１の通電方向を変えて、ポンピングセル１１による測定ガス室１３への酸素ガスの供給量を調節する。
【００１１】
よって、この酸素濃度測定装置は、測定ガスが還元領域でも計測を可能としていた。濃淡電池セル１２の基準電極１６から測定電極１５へ一定の微小電流を流し酸素ポンピング作用により酸素ガスを酸素イオンとして測定ガス室１３から濃淡電池セル１２を移動して基準ガス室１４に供給することで、基準ガス室１４の酸素濃度を一定にしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開平６−２８１６２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
ところで、上記の２セル式の酸素濃度測定装置では、ポンピングセル１１と濃淡電池セル１２との位置が離れているためにポンピングセル１１と濃淡電池セル１２との応答に位相差が発生し、測定ガスの過渡的な変化において濃淡電池セル１２の起電力Ｖｓに対してポンピング電流Ｉｐがハンチングを起こして整定性が悪い場合があった。
【００１４】
また、この酸素濃度測定装置では、例えば５０％以上の高酸素濃度の測定ガスを測定する際には、ポンピングセル１１に極めて大きな電流を流すために大きなポンピング電圧を印加する必要があり、ポンピングセル１１の外部ポンピング電極１８と濃淡電池セル１２の基準電極１６との間の電位差によって基準ガス室１４から酸素イオンとして外部ポンピング電極１８を介して外部へ酸素ガスが移動する。すなわちリーク酸素が発生し、このリーク酸素分の電流が加算されて酸素濃度の測定がされる。このため、この酸素濃度測定装置で高酸素濃度の測定ガスを測定する際には、測定誤差が発生して高精度な測定ができなかった。
【００１５】
また、起電力Ｖｓを一定制御する場合においては、酸素濃度が上昇すればポンピングセル１１のポンピング電圧Ｖｐが上昇するため、ポンピング電流Ｉｐの増加に応じて印加電圧を増加させ、またこの印加電圧の増加によって計測電流が増加するというような現象が継続して起き、このため高精度な測定ができなかった。
【００１６】
そこで、高酸素濃度を含む広い酸素濃度範囲の測定誤差が抑制されて、高精度に測定できる酸素濃度測定方法及び酸素濃度測定装置が求められていた。
この発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、高酸素濃度を含む広い酸素濃度範囲の測定誤差が抑制されて、高精度に測定できる酸素濃度測定方法及び酸素濃度測定装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
以下、上記目的を達成するための手段及びその作用効果について説明する。
請求項１に記載の発明は、酸素イオン伝導性の固体電解質層に一対の電極を設けて、その一方の電極には拡散層を介した測定ガスが接触するように構成し、両電極間に電圧を印加することにより酸素ポンピング作用により酸素ガスを両電極間で移動するポンピングセルを形成する酸素センサを用い、前記ポンピングセルに印加される印加電圧に応じて流れると想定される想定電流と、実際の酸素濃度に応じて流れる同ポンピングセルの計測電流との電流差、または電流差から算出される電圧を一定値に保つように前記印加電圧を変化させることで、前記計測電流または前記印加電圧に基づいて酸素濃度を測定することをその要旨としている。
【００１８】
同方法によれば、ポンピングセルのみを使用して従来の２セル型限界電流方式相当の酸素濃度を測定することができ、更に従来の２セル式の酸素濃度測定装置で発生していた応答の位相差及び高酸素濃度時のリーク酸素（リーク電流）による計測誤差が抑制される。よって、高酸素濃度の測定ガスを測定することができ、高酸素濃度を含む広い酸素濃度範囲の測定誤差が抑制されて、酸素濃度を高精度に測定することができる。
【００１９】
請求項２に記載の発明は、酸素イオン伝導性の固体電解質層に一対の電極を設けて、その一方の電極には拡散層を介した測定ガスが接触するように構成し、両電極間に電圧を印加することにより酸素ポンピング作用により酸素ガスを両電極間で移動するポンピングセルを形成する酸素センサを用い、前記ポンピングセルに印加される印加電圧に応じて流れると想定される想定電流と、実際の酸素濃度に応じて流れる同ポンピングセルの計測電流との電流差の変化に対して前記印加電圧を逆変化させることで、前記計測電流または前記印加電圧に基づいて酸素濃度を測定することをその要旨としている。
【００２０】
同方法によれば、ポンピングセルのみを使用して従来の２セル型限界電流方式相当の酸素濃度を測定することができ、更に従来の２セル式の酸素濃度測定装置で発生していた応答の位相差及び高酸素濃度時のリーク酸素（リーク電流）による計測誤差が抑制される。よって、高酸素濃度の測定ガスを測定することができ、高酸素濃度を含む広い酸素濃度範囲の測定誤差が抑制されて、酸素濃度を高精度に測定することができる。
【００２１】
また、速やかにポンピング電流を安定させることができる。よって、微少なドリフトが抑制されるので、応答速度を速め、さらに高精度に測定することができる。
請求項３に記載の発明は、酸素イオン伝導性の固体電解質層に一対の電極を設けて、その一方の電極には拡散層を介した測定ガスが接触するように構成し、両電極間に電圧を印加することにより酸素ポンピング作用により酸素ガスを両電極間で移動するポンピングセルを形成する酸素センサと、前記酸素センサを設けた測定容器と、前記測定ガスの流量を調節する調量弁と、前記測定ガスの圧力を一定にする圧力制御器と、前記測定ガスの流量を計測する流量計と、前記酸素センサを通電制御するとともに、検出された電圧値及び電流値から酸素濃度を演算処理して酸素濃度を出力する制御装置と、を備えた酸素濃度測定装置において、前記ポンピングセルに印加される印加電圧に応じて流れると想定される想定電流と、実際の酸素濃度に応じて流れる同ポンピングセルの計測電流との電流差、または電流差から算出される電圧差を一定値に保つように前記印加電圧を変化させることで、前記計測電流または前記印加電圧に基づいて酸素濃度を測定することをその要旨としている。
【００２２】
同構成によれば、ポンピングセルのみを使用して従来の２セル型限界電流方式相当の酸素濃度を測定することができ、更に従来の２セル式の酸素濃度測定装置で発生していた応答の位相差及び高酸素濃度時のリーク酸素（リーク電流）による計測誤差が抑制される。
【００２３】
また、測定容器と圧力制御器とを備えたため、測定ガスの圧力（絶対圧力）を一定に保つことができる。よって、高酸素濃度の測定ガスを測定することができ、高酸素濃度を含む広い酸素濃度範囲の測定誤差が抑制されて、酸素濃度を高精度に測定することができる。
【００２４】
請求項４に記載の発明は、酸素イオン伝導性の固体電解質層に一対の電極を設けて、その一方の電極には拡散層を介した測定ガスが接触するように構成し、両電極間に電圧を印加することにより酸素ポンピング作用により酸素ガスを両電極間で移動するポンピングセルを形成する酸素センサと、前記酸素センサを設けた測定容器と、前記測定ガスの流量を調節する調量弁と、前記測定ガスの圧力を一定にする圧力制御器と、前記測定ガスの流量を計測する流量計と、前記酸素センサを通電制御するとともに、検出された電圧値及び電流値から酸素濃度を演算処理して酸素濃度を出力する制御装置と、を備えた酸素濃度測定装置において、前記ポンピングセルに印加される印加電圧に応じて流れると想定される想定電流と、実際の酸素濃度に応じて流れる同ポンピングセルの計測電流との電流差の変化に対して前記印加電圧を逆変化させることで、前記計測電流または前記印加電圧に基づいて酸素濃度を測定することをその要旨としている。
【００２５】
同構成によれば、ポンピングセルのみを使用して従来の２セル型限界電流方式相当の酸素濃度を測定することができ、更に従来の２セル式の酸素濃度測定装置で発生していた応答の位相差及び高酸素濃度時のリーク酸素（リーク電流）による計測誤差が抑制される。よって、高酸素濃度の測定ガスを測定することができ、高酸素濃度を含む広い酸素濃度範囲の測定誤差が抑制されて、酸素濃度を高精度に測定することができる。
【００２６】
また、速やかにポンピング電流を安定させることができる。よって、微少なドリフトが抑制されるので、応答速度を速め、高精度に測定することができる。
さらに、測定ガスの圧力（絶対圧力）を一定に保つことができるので、計測誤差が抑制される。よって、酸素濃度を高精度に測定することができる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、高酸素濃度を含む広い酸素濃度範囲の測定誤差が抑制されて、高精度に測定できる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】酸素濃度測定装置の概略構成図。
【図２】第１の実施形態の酸素センサの概略構造を示す断面図。
【図３】ポンピング電圧とポンピング電流との関係を示す図。
【図４】限界電流特性を示す図。
【図５】酸素濃度測定装置の応答性を示す図。
【図６】酸素濃度測定装置の応答性を示す図。
【図７】第１の実施形態の酸素濃度測定装置による効果を示す図。
【図８】第２の実施形態の酸素センサの概略構造を示す断面図。
【図９】第３の実施形態の酸素センサの概略構造を示す断面図。
【図１０】第４の実施形態の酸素センサの概略構造を示す断面図。
【図１１】第５の実施形態の酸素センサの概略構造を示す断面図。
【図１２】第６の実施形態の限界電流特性を示す図。
【図１３】第７の実施形態の限界電流特性を示す図。
【図１４】第７の実施形態の酸素濃度測定装置による効果を示す図。
【図１５】従来の酸素センサの概略構造を示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
（第１の実施形態）
以下、本発明の酸素濃度測定装置に具体化した第１の実施形態について、図１〜図７を参照して説明する。
【００３０】
図１に示されるように、酸素濃度測定装置１は、例えば酸素ボンベ２の酸素ガス（以下、測定ガスという）の濃度を測定する際に使用する。酸素濃度測定装置１は、測定チャンバ４、流量計５、自動圧力制御器６、調量弁７、酸素センサ８、制御装置９とから構成されている。酸素ボンベ２と排気口３との間に測定容器としての測定チャンバ４が設けられ、酸素濃度測定装置１は、この測定チャンバ４を通過する測定ガスの酸素濃度を測定する。測定チャンバ４と排気口３との間には、測定ガスの流量を計測する流量計５が排気口３側に設けられている。また、流量計５の測定チャンバ４側には、測定チャンバ４から排出する測定ガスの圧力（絶対圧）を一定に自動調節する自動圧力制御器６が設けられている。測定ガス供給元としての酸素ボンベ２と測定チャンバ４との間には、測定ガスの流量を調節する調量弁７が測定チャンバ４側に設けられている。
【００３１】
酸素濃度測定装置１は、測定チャンバ４の内部に突出して設けられる酸素センサ８と、この酸素センサ８を通電制御するとともに、検出された電圧値及び電流値から酸素濃度を演算処理してこの酸素濃度を出力する制御装置９とを備えている。
【００３２】
排気口３に測定ガスを供給すべく調量弁７を開弁すると、酸素ボンベ２から測定チャンバ４を通過して測定ガスが排気口３へ流入する。このとき、制御装置９は、酸素センサ８から入力された電圧値及び電流値から測定ガスの酸素濃度を演算して、図示しない表示装置や外部装置へ出力する。
【００３３】
次に、酸素センサ８の構造について図２を参照して説明する。
図２に示されるように、酸素センサ８は、ジルコニア等の酸素イオン伝導性のセラミックにて形成された固体電解質層１０からなるポンピングセル１１と濃淡電池セル１２と図示されないヒーターとを備えた２セル方式で構成されている。
【００３４】
固体電解質層１０は、縦断面コ字状に形成され、このコ字状の内側が測定ガス室１３として形成されている。測定ガス室１３の開口部１３ａには、多孔質セラミックにて形成された拡散層１７が配設されている。測定ガスは、拡散層１７を通じて測定ガス室１３に導かれる。測定ガス室１３を上下方向に挟んだ固体電解質層１０の下部１０ｂが濃淡電池セル１２、固体電解質層１０の上部１０ａがポンピングセル１１として機能する。
【００３５】
固体電解質層１０の下部１０ｂには、基準ガス室１４が形成されている。固体電解質層１０の下部１０ｂには、測定ガス室１３の内側に露呈する白金等からなる測定電極１５と、基準ガス室１４に露呈する白金等からなる基準電極１６とが対向して設置されている。濃淡電池セル１２は、固体電解質層１０の下部１０ｂと、測定電極１５と、基準電極１６とによって構成されている。
【００３６】
固体電解質層１０の上部１０ａには、外部空間に露呈する白金等からなる外部ポンピング電極１８と、測定ガス室１３の内側に露呈する白金等からなる内部ポンピング電極１９とが対向して設置されている。この外部ポンピング電極１８は、測定ガスや大気等の外部空間のガスに晒される。この内部ポンピング電極１９は、測定ガス室１３において測定電極１５に対向配置されている。ポンピングセル１１は、固体電解質層１０の上部１０ａと、外部ポンピング電極１８と、内部ポンピング電極１９とによって構成されている。
【００３７】
ポンピングセル１１の外部ポンピング電極１８と内部ポンピング電極１９との間には外部ポンピング電極１８が＋極で内部ポンピング電極１９が−極となるように電圧が印加され、外部ポンピング電極１８から内部ポンピング電極１９へ向かう方向に通電される。この印加電圧によって、ポンピングセル１１のポンピング作用により、測定ガス室１３から固体電解質層１０の上部１０ａを介して外部へ酸素ガスが排出される。拡散層１７を通じて測定ガス室１３に流入する酸素ガスの量は、ポンピングセル１１を介して外部へ排出される量、すなわちポンピング電流Ｉｐと等価である。外部ポンピング電極１８と内部ポンピング電極１９との間の印加電圧を増加させると、ポンピング電流Ｉｐが増加し、測定ガス室１３に流入する測定ガスの量も増加する。しかしながら、拡散層１７が配設されているため、測定ガスの流入量が制限される。よって、一定以上は測定ガスが流入できなくなり、印加電圧を増加させても、ポンピング電流Ｉｐが増加しなくなる状態となる。この時のポンピング電流（限界電流）は流入する測定ガス中に含まれる酸素ガスの濃度に依存するため、酸素濃度を測定することができる。
【００３８】
次に、前述のように構成された酸素濃度測定装置による酸素濃度の測定方法について図３〜図７を参照して説明する。
本実施例では、濃淡電池セル１２に生じる起電力Ｖｓを使用せずに、ポンピングセル１１に印加される印加電圧としてのポンピング電圧Ｖｐの制御をおこなって、得られたポンピング電流Ｉｐから測定ガスの酸素濃度を測定する。すなわち、制御装置９は、電流差ΔＩｐが設定値としての設定電流差ΔＩｂを保つようにポンピング電圧Ｖｐを変動させる制御をおこなっている。
【００３９】
まず、濃淡電池セル１２の測定電極１５と基準電極１６との間の起電力Ｖｓの一定値制御回路を短絡する。そして、図３に示されるように、制御装置９は、制御開始時には、ポンピング電圧Ｖｐは０であり、電流差ΔＩｐも０であるから、ポンピング電圧Ｖｐを増加させる。測定ガス室１３においてポンピングセル１１に印加されるポンピング電圧Ｖｐに応じてポンピングセル１１に流れると想定される想定電流Ｉｐ’を求める。ポンピングセル１１の抵抗値であるセル抵抗Ｒｃは一定であるため、オームの法則が成立する。
【００４０】
したがって、ポンピングセル１１に印加したポンピング電圧Ｖｐに対して図３に示すように傾き：１／Ｒｃの関係を有する直線Ｌｃとなる。よって、想定電流Ｉｐ’をＩｐ’＝Ｖｐ／Ｒｃにより算出する。そして、この想定電流Ｉｐ’と実際に計測されたポンピング電流Ｉｐとの差である電流差ΔＩｐをΔＩｐ＝Ｉｐ’−Ｉｐにより算出する。
【００４１】
図３に示されるように、ポンピング電圧Ｖｐを増加させていくと、限界電流状態になるため電流差ΔＩｐが大きくなっていき、設定電流差ΔＩｂを一定値に維持するように制御を行う。ポンピングセル１１の計測電流としてのポンピング電流Ｉｐは、ポンピングセル１１のポンピング電圧Ｖｐの増加に伴いある値までは増加するが、ポンピング電圧Ｖｐが増加してもポンピング電流Ｉｐがほとんど増加しない一定状態となる。この一定状態となるポンピング電流Ｉｐを限界電流といい、この領域を限界電流領域という。なお、ポンピング電圧Ｖｐをさらに増加させた際には、内部ポンピング電極１９の周囲が酸欠状態となりジルコニア等のポンピングセル１１が黒化してポンピング電流Ｉｐが異常増加（電子伝導）する。酸素濃度の計測時には、ポンピング電流Ｉｐの異常増加が起きる範囲までポンピング電圧Ｖｐを増加させることはしない。
【００４２】
次に、制御装置９は、電流差ΔＩｐが設定値としての設定電流差ΔＩｂを一定に保つようにポンピング電圧Ｖｐを変動させる。具体的には、制御装置９は、測定ガスの酸素濃度が増加してポンピング電流Ｉｐが増加すると電流差ΔＩｐが設定電流差ΔＩｂよりも小さくなるので、制御装置９は電流差ΔＩｐが設定電流差ΔＩｂとなるようにポンピング電圧Ｖｐを増加させる。
【００４３】
一方、測定ガスの酸素濃度が下降してポンピング電流Ｉｐが下降すると電流差ΔＩｐが設定電流差ΔＩｂよりも大きくなるので、制御装置９は電流差ΔＩｐが設定電流差ΔＩｂとなるようにポンピング電圧Ｖｐを減少させる。すなわち、図３の二点鎖線で示されるように、直線Ｌｃと平行に変位させる。このときの設定電流差ΔＩｂは、図３の限界電流領域内に前記二点鎖線を位置させる任意の一定値とする。
【００４４】
よって、設定電流差ΔＩｂは、ΔＩｂ＝Ｉｐ’−Ｉｐ＝（Ｖｐ／Ｒｃ）−Ｉｐとなり、ポンピング電圧Ｖｐでまとめると、Ｖｐ＝Ｒｃ×（ΔＩｂ＋Ｉｐ）となる。なお、想定電流Ｉｐ’と実際に測定されるポンピング電流Ｉｐとの電流差ΔＩｐにセル抵抗Ｒｃを乗じて得られる電圧差ΔＶｐは、酸素濃度差に応じて生じる起電力ＥＭＦ（Ｅｌｅｃｔｒｏｍｏｔｉｖｅ  Ｆｏｒｃｅ）に相当し、電圧差ΔＶｐを従来の濃淡電池セル１２の起電力Ｖｓと同等に扱うことができる。すなわち、電圧差ΔＶｐを仮想起電力Ｖｓとして関係を示すと、仮想起電力Ｖｓ≡ΔＩｐ×Ｒｃ＝ΔＶｐとなる。
【００４５】
さらに、ポンピング電圧Ｖｐを増加させてもポンピング電流Ｉｐが増加せずほぼ一定となる限界電流領域において、細かく観察するとポンピング電流Ｉｐはポンピング電圧Ｖｐの増加にともなって完全に一定ではなく微小に増加する。
【００４６】
具体的には、図４に示されるように、ポンピング電圧Ｖｐが３００ｍＶより大きい限界電流領域では傾きが０ｍＡ／ｍＶになるのが理想であるが、実際には例えば限界電流領域以前では傾きが０．０２ｍＡ／ｍＶであったものが、限界電流領域では傾きが０．０００４ｍＡ／ｍＶとなり、微小に増加する。この限界電流領域に達した場合、従来はポンピング電圧Ｖｐを一定にするか、又はポンピング電流Ｉｐの増加に応じてポンピング電圧Ｖｐを増加させる制御をおこなっていた。
【００４７】
このポンピング電流Ｉｐの増加に応じてポンピング電圧Ｖｐを増加させた場合には、ポンピング電圧Ｖｐの増加に応じてポンピング電流Ｉｐが微小に増加するという繰り返しとなり、ポンピング電流Ｉｐがなかなか安定せず、高精度に測定できなかった。
【００４８】
また、従来のポンピング電圧Ｖｐを一定にした制御の場合には、測定ガスを高精度に測定するまでの応答速度が非常に遅かった。具体的には、図５に示されるように、例えば酸素濃度９８％の測定ガスから酸素濃度１００％の測定ガスに切り換えた際に、ポンピング電圧Ｖｐを一定に制御すると、測定ガスを切り換えてから酸素濃度９９．８％となるまでの応答時間（図中Ｔ９０で示す）は３０〜４０秒であった。さらに、酸素濃度９９．８％から酸素濃度１００％となるまでの応答時間（図中Ｔ９０〜Ｔ１００で示す）は１時間であった。
【００４９】
しかしながら、本実施形態の制御を使用すると、図６に示されるように、例えば酸素濃度９８％の測定ガスから酸素濃度１００％の測定ガスに切り換えた際に、測定ガスを切り換えてから酸素濃度９０％となるまでの応答時間（図中Ｔ９０で示す）は１５〜２０秒であった。
【００５０】
さらに、酸素濃度９０％から酸素濃度９９．８％となるまでの応答時間（図中Ｔ９０〜Ｔ１００で示す）は１０分であった。よって、上記の制御によって、高速応答、高精度を両立して測定する事が可能である。
【００５１】
なお、上記実施例では、酸素濃度９８％から９９．８％の酸素濃度が非常に高い酸化領域において説明したが、本制御は酸素濃度５０％以上の高酸素濃度であれば非常に有効に測定することができる。また、好ましくは酸素濃度８０％以上であり、より好ましくは、酸素濃度９０％以上の高酸素濃度であれば更に有効に測定することができる。
【００５２】
また、図７に示されるように、高酸素濃度ばかりでなく酸素濃度が低い領域（０％以上５％未満）やその他の５％以上から９０％未満の領域に使用しても有効に測定することが可能である。
【００５３】
さて、上記の測定方法を用いて、酸素濃度の測定は以下の順序で行われる。
まず、濃淡電池セル１２の測定電極１５と基準電極１６との間の起電力Ｖｓの一定値制御回路を短絡する。測定ガスの圧力が自動圧力制御器６によって例えば１１０ｋＰａ（絶対圧）に調整されるとともに、図示しないヒーターによって固体電解質層１０の温度が例えば８００℃に加熱される。
【００５４】
制御装置９は、ヒーターの温度が８００℃に達すると、ポンピング電圧Ｖｐとして初期電圧Ｖｐ０を印加する。すると、初期電圧Ｖｐ０に応じてポンピング電流Ｉｐが増加する。そして、制御装置９は、ポンピング電圧Ｖｐに対する想定電流Ｉｐ’とポンピング電流Ｉｐとの電流差ΔＩｐを算出して、設定電流差ΔＩｂとなるようにポンピング電圧Ｖｐの制御を開始する。
【００５５】
制御装置９は、所定のサンプリング速度（例えば１００ｍ秒毎）でポンピング電流Ｉｐを計測し、その時のポンピング電圧Ｖｐから算出される想定電流Ｉｐ’との電流差ΔＩｐを算出する。
【００５６】
そして、電流差ΔＩｐが設定値としての設定電流差ΔＩｂとなるようにポンピング電圧Ｖｐを変化させて制御する。こうして、得られたポンピング電流Ｉｐから酸素濃度を測定することができる。
【００５７】
よって、ポンピングセル１１のみを使用して酸素濃度を測定することができ、従来の２セル式の酸素濃度測定装置で発生していた応答の位相差及び高濃度領域で発生しやすいリーク酸素による計測誤差が抑制される。
【００５８】
また、高酸素濃度の測定ガスも測定することができ、高酸素濃度を含む広い酸素濃度範囲の測定誤差が抑制されて、高精度に酸素濃度を測定することができる。
さらには、還元領域に使用しても有効に測定することが可能である。
【００５９】
以上、説明した実施形態によれば、以下の効果を奏することができる。
（１）測定ガス室１３が形成された固体電解質層１０に一対の外部ポンピング電極１８と内部ポンピング電極１９とを設けたポンピングセル１１のみを用いて、想定電流Ｉｐ’と計測電流としてのポンピング電流Ｉｐとの電流差ΔＩｐが設定値となるようにポンピング電圧Ｖｐを調節し、このポンピング電流Ｉｐに基づいて酸素濃度を測定する。すなわち、セル抵抗Ｒｃは一定であり、オームの法則からポンピングセル１１に印加したポンピング電圧Ｖｐに対して流れる想定電流Ｉｐ’を求めた。そして、想定電流Ｉｐ’と計測電流Ｉｐとの電流差ΔＩｐを求め、この電流差ΔＩｐを設定された一定値となるようにポンピング電圧Ｖｐを調節し、このポンピング電流Ｉｐに基づいて酸素濃度を測定した。このため、ポンピングセル１１のみを使用して従来の２セル型限界電流方式相当の酸素濃度を測定することができ、更に従来の２セル式の酸素濃度測定装置で発生していた応答の位相差及び高酸素濃度時のリーク酸素（リーク電流）による計測誤差が抑制される。よって、高酸素濃度の測定ガスを測定することができ、高酸素濃度を含む広い酸素濃度範囲の測定誤差が抑制されて、酸素濃度を高精度に測定することができる。
【００６０】
（２）高酸素濃度の測定ガスを測定できるので、酸素濃度５０％以上の高酸素濃度においても測定ガスを高精度に測定するまでの応答速度を速め、高精度に測定することができる。また、高酸素濃度ばかりでなく酸素濃度が低い領域（０％以上５％未満）やその他の５％以上から９０％未満の領域に使用しても有効に測定することが可能である。さらには、還元領域に使用しても有効に測定することが可能である。
【００６１】
（３）酸素センサ８の限界電流型のポンピングセル１１では、測定ガスの圧力変化によって測定値が変化するという特徴があった。そこで、本実施形態の酸素濃度測定装置１は、測定チャンバ４、流量計５、自動圧力制御器６、調量弁７、酸素センサ８、制御装置９から構成した。特に酸素センサ８の限界電流型のポンピングセル１１では、測定ガスの圧力変化によって測定値が変化するという特徴があった。これにより、測定ガスの圧力（絶対圧力）及び大気圧変動を一定に保つことができるので、計測誤差が抑制される。
【００６２】
（第２の実施形態）
以下、酸素濃度測定装置に具体化した第２の実施形態について、図８を参照して説明する。この実施形態の酸素濃度測定装置は、酸素センサの構造が上記第１の実施形態と異なっている。以下、第１の実施形態との相違点を中心に説明する。
【００６３】
図８に示されるように、酸素センサ８は、ジルコニア等の酸素イオン伝導性のセラミックにて形成された固体電解質層１０からなるポンピングセル１１のみを備えた１セル方式で構成されている。
【００６４】
詳しくは、固体電解質層１０は、縦断面コ字状に形成され、このコ字状の内側が測定ガス室１３として形成されている。測定ガス室１３の開口部１３ａには、多孔質セラミックにて形成された拡散層１７が配設されている。測定ガスは、拡散層１７を通じて測定ガス室１３に導かれるようになっている。
【００６５】
ポンピングセル１１の外部ポンピング電極１８と内部ポンピング電極１９との間には、外部ポンピング電極１８から内部ポンピング電極１９へ向かう方向に通電される。この通電によって、ポンピングセル１１のポンピング作用により、測定ガス室１３から固体電解質層１０の上部１０ａを介して外部へ酸素ガスが排出される。拡散層１７を通じて酸素ガスが測定ガス室１３に拡散するため、この拡散する酸素ガスの量は、測定ガスの酸素濃度に依存される。そして、拡散層１７を通じて測定ガス室１３に拡散した酸素ガスは、固体電解質層１０の上部１０ａを介して外部へ排出される。すなわち、ポンピング電流Ｉｐと拡散層１７から測定ガス室１３に流入する酸素ガスの量とが等価となり、ポンピング電流Ｉｐは測定ガスの酸素濃度に応じた値で平衡状態となる。このため、制御装置９がポンピングセル１１のポンピング電圧Ｖｐを増加制御すると、ポンピング電流Ｉｐが一定値より増加しなくなる。この時のポンピング電流（限界電流）は流入する測定ガス中に含まれる酸素ガスの濃度に依存するため、酸素濃度を測定することができる。
【００６６】
本実施例によっても、ポンピングセル１１のみを使用して酸素濃度を測定することができ、従来の２セル式の酸素濃度測定装置で発生していた応答の位相差及びリーク酸素による計測誤差が抑制される。よって、高酸素濃度の測定ガスも測定することができ、高酸素濃度を含む広い酸素濃度範囲の測定誤差が抑制されて、酸素濃度を高精度に測定することができる。
【００６７】
以上、説明した実施形態によれば、第１の実施形態の（１）及び（２）の効果に加え、以下の効果を奏することができる。
（４）酸素センサ８を１セル式としたので、２セル式と比較して一対の電極（外部ポンピング電極１８及び内部ポンピング電極１９）のみでよく、さらに基準ガス室１４等を形成する必要がなくなる。よって、構成を簡略化することができるとともに、小型化、低価格化することができる。
【００６８】
（第３の実施形態）
以下、酸素濃度測定装置に具体化した第３の実施形態について、図９を参照して説明する。これらの実施形態の酸素濃度測定装置は、酸素センサの構造が上記第２の実施形態と異なっている。以下、第２の実施形態との相違点を中心に説明する。
【００６９】
図９に示されるように、酸素センサ８は、ジルコニア等の酸素イオン伝導性のセラミックにて形成された固体電解質層１０からなるポンピングセル１１のみを備えた１セル方式で構成されている。詳しくは、固体電解質層１０は、ポンピングセル１１として機能し、ポンピングセル１１は、固体電解質層１０の上部に外部ポンピング電極１８と、下部に内部ポンピング電極１９とによって構成されている。
【００７０】
そして、内部ポンピング電極１９は、測定ガス室１３を形成せず多孔質セラミックにて形成された拡散層１７にて覆われている。ポンピングセル１１の外部ポンピング電極１８と下部に位置する内部ポンピング電極１９との間には、外部ポンピング電極１８から内部ポンピング電極１９へ向かう方向に通電される。この通電によって、ポンピングセル１１のポンピング作用により、内部ポンピング電極１９の拡散層１７を通じた酸素ガスは、固体電解質層１０を介して内部ポンピング電極１９から外部ポンピング電極１８へ酸素ガスが排出される。よって、ポンピング電圧Ｖｐの増加制御に対してポンピング電流Ｉｐが一定値より増加しなくなった際のポンピング電流（限界電流）に基づいて酸素濃度を測定する。
【００７１】
以上、説明した実施形態によれば、第２の実施形態の（４）と同様の効果に加え、以下の効果を奏することができる。
（５）酸素センサ８を１セル式とし、固体電解質層１０の上部に外部ポンピング電極１８と、下部に内部ポンピング電極１９とによって構成して、内部ポンピング電極１９上に拡散層１７を形成した。また、固体電解質層１０の上部の同一平面上に外部ポンピング電極１８と内部ポンピング電極１９とによって構成して、内部ポンピング電極１９上に拡散層１７形成した。さらには、固体電解質層１０の下部に外部ポンピング電極１８、上部に内部ポンピング電極１９によって構成し、内部ポンピング電極１９の上部にキャップ２０を固定した。そして、ポンピングセル１１とキャップ２０とから測定ガス室１３を形成し、キャップ２０の上部分中央に気体拡散孔２１を形成した。よって、構成を一層簡略化することができ、小型化、低価格化することができる。
【００７２】
（第４の実施形態）
以下、酸素濃度測定装置に具体化した第４の実施形態について、図１０を参照して説明する。これらの実施形態の酸素濃度測定装置は、酸素センサの構造が上記第２の実施形態と異なっている。以下、第２の実施形態との相違点を中心に説明する。
【００７３】
図１０に示されるように、ポンピングセル１１は、固体電解質層１０の上部の同一平面上に外部ポンピング電極１８と内部ポンピング電極１９とによって構成されている。そして、内部ポンピング電極１９は、測定ガス室１３を形成せず多孔質セラミックにて形成された拡散層１７にて覆われている。
【００７４】
よって、酸素センサ８は、固体電解質層１０に一対の電極（外部ポンピング電極１８、内部ポンピング電極１９）を対向配置し、いずれか一方の電極（内部ポンピング電極１９）上に拡散層１７を形成している。
【００７５】
以上、説明した実施形態によれば、第２の実施形態の（４）と第３の実施形態の（５）と同様の効果を奏することができる。
（第５の実施形態）
以下、酸素濃度測定装置に具体化した第５の実施形態について、図１１を参照して説明する。これらの実施形態の酸素濃度測定装置は、酸素センサの構造が上記第２の実施形態と異なっている。以下、第２の実施形態との相違点を中心に説明する。
【００７６】
図１１に示されるように、固体電解質層１０の下部には外部ポンピング電極１８が設置され、固体電解質層１０の上部には内部ポンピング電極１９が設置されている。ポンピングセル１１は、外部ポンピング電極１８と内部ポンピング電極１９とによって構成されている。そして、内部ポンピング電極１９の上部には、逆コ字状のセラミックなどからなるキャップ２０が固定されている。ポンピングセル１１とキャップ２０とから測定ガス室１３が形成されている。キャップ２０の上部中央には、厚さ方向に貫通する気体拡散孔２１が一つ形成されている。気体拡散孔２１は、上記の拡散層１７に相当し、拡散律速された測定ガスが供給される。
【００７７】
そして、ポンピングセル１１の外部ポンピング電極１８と下部に位置する内部ポンピング電極１９との間には、外部ポンピング電極１８から内部ポンピング電極１９へ向かう方向に通電される。この通電によって、ポンピングセル１１のポンピング作用により、内部ポンピング電極１９の拡散層１７を通じた酸素ガスは、固体電解質層１０を介して内部ポンピング電極１９から外部ポンピング電極１８へ酸素ガスが排出される。よって、ポンピング電圧Ｖｐの増加制御に対してポンピング電流Ｉｐが一定値より増加しなくなった際のポンピング電流（限界電流）に基づいて酸素濃度を測定する。
【００７８】
以上、説明した実施形態によれば、第２の実施形態の（４）と第３の実施形態の（５）と同様の効果を奏することができる。
（第６の実施形態）
この実施形態の酸素濃度測定装置は、酸素センサの制御が上記第１の実施形態と異なっている。以下、第１の実施形態との相違点を中心に説明する。
【００７９】
本実施例では、濃淡電池セル１２に生じる起電力Ｖｓを使用せずに、ポンピングセル１１に印加される印加電圧としてのポンピング電圧Ｖｐの制御をおこなって、得られたポンピング電流Ｉｐから測定ガスの酸素濃度を測定している。すなわち、制御装置９は、電流差ΔＩｐが電流差ΔＩｐから算出される電圧差ΔＶｐが設定値としての設定電圧差ΔＶｂを保つようにポンピング電圧Ｖｐを変動させる制御をおこなっている。
【００８０】
まず、濃淡電池セル１２の測定電極１５と基準電極１６との間の起電力Ｖｓの一定値制御回路を短絡する。そして、図１２に示されるように、制御装置９は、制御開始時には、ポンピング電圧Ｖｐは０であり、電流差ΔＩｐも０であるから、ポンピング電圧Ｖｐを増加させる。測定ガス室１３においてポンピングセル１１に印加されるポンピング電圧Ｖｐに応じてポンピングセル１１に流れると想定される想定電流Ｉｐ’を求める。ポンピングセル１１の抵抗値であるセル抵抗Ｒｃは一定であるため、オームの法則が成立する。したがって、ポンピングセル１１に印加したポンピング電圧Ｖｐに対して傾き：１／Ｒｃの関係を有する直線Ｌｃとなる。
【００８１】
よって、想定電流Ｉｐ’をＩｐ’＝Ｖｐ／Ｒｃにより算出する。そして、この想定電流Ｉｐ’と実際に計測されたポンピング電流Ｉｐとの差である電流差ΔＩｐをΔＩｐ＝Ｉｐ’−Ｉｐにより算出する。
【００８２】
次に、電流差ΔＩｐにセル抵抗Ｒｃを乗じて得られる電圧差ΔＶｐをΔＩｐ×Ｒｃ＝ΔＶｐにより算出する。
この電圧差ΔＶｐは、酸素濃度差に応じて生じる起電力ＥＭＦ（Ｅｌｅｃｔｒｏｍｏｔｉｖｅ  Ｆｏｒｃｅ）に相当し、電圧差ΔＶｐを従来の濃淡電池セル１２の起電力Ｖｓと同等に扱うことができる。すなわち、電圧差ΔＶｐを仮想起電力Ｖｓとして関係を示すと、仮想起電力Ｖｓ≡ΔＩｐ×Ｒｃ＝ΔＶｐとなる。
【００８３】
図１２に示されるように、ポンピング電圧Ｖｐを増加させていくと、限界電流状態になるため電流差ΔＩｐが大きくなっていき、設定電圧差ΔＶｂを一定値に維持するように制御を行う。ポンピングセル１１の計測電流としてのポンピング電流Ｉｐは、ポンピングセル１１のポンピング電圧Ｖｐの増加に伴いある値までは増加するが、ポンピング電圧Ｖｐが増加してもポンピング電流Ｉｐがほとんど増加しない一定状態となる。この一定状態となるポンピング電流Ｉｐを限界電流といい、この領域を限界電流領域という。
【００８４】
次に、制御装置９は、電流差ΔＩｐより算出する電圧差ΔＶｐが設定値としての設定電圧差ΔＶｂを一定に保つようにポンピング電圧Ｖｐを変動させる。具体的には、制御装置９は、測定ガスの酸素濃度が増加してポンピング電流Ｉｐが増加すると電流差ΔＩｐによって電圧差ΔＶｐが設定電圧差ΔＶｂよりも小さくなるので、制御装置９は電圧差ΔＶｐが設定電圧差ΔＶｂとなるようにポンピング電圧Ｖｐを増加させる。
【００８５】
一方、測定ガスの酸素濃度が下降してポンピング電流Ｉｐが下降すると電流差ΔＩｐによって電圧差ΔＶｐが設定電圧差ΔＶｂよりも大きくなるので、制御装置９は電圧差ΔＶｐが設定電圧差ΔＶｂとなるようにポンピング電圧Ｖｐを減少させる。
【００８６】
すなわち、図１２の二点鎖線で示されるように、直線Ｌｃと平行に変位させる。このときの設定電圧差ΔＶｂは、図１２の限界電流領域内に前記二点鎖線を位置させる任意の一定値とする。
【００８７】
以上、説明した実施形態によれば、第１の実施形態の（１）〜（３）と同様の効果を奏することができる。
また、第２〜５の実施形態における酸素センサの構造にも使用することができる。
【００８８】
（第７の実施形態）
以下、この実施形態の酸素濃度測定装置は、酸素センサの制御が上記第１の実施形態と異なっている。以下、第１の実施形態との相違点を中心に説明する。
【００８９】
本実施例では、濃淡電池セル１２に生じる起電力Ｖｓを使用せずに、ポンピングセル１１に印加される印加電圧としてのポンピング電圧Ｖｐの制御をおこなって、得られたポンピング電流Ｉｐから測定ガスの酸素濃度を測定するようにしている。すなわち、後述するように制御装置９は、電流差ΔＩｐの変化に対してポンピング電圧Ｖｐを変動させる制御をおこなっている。
【００９０】
まず、濃淡電池セル１２の測定電極１５と基準電極１６との間の起電力Ｖｓの一定値制御回路を短絡する。そして、図１３に示されるように、制御装置９は、制御開始時には、ポンピング電圧Ｖｐは０であり、電流差ΔＩｐも０であるから、ポンピング電圧Ｖｐを増加させる。
【００９１】
測定ガス室１３においてポンピングセル１１に印加されるポンピング電圧Ｖｐに応じてポンピングセル１１に流れると想定される想定電流Ｉｐ’を求める。ポンピングセル１１の抵抗値であるセル抵抗Ｒｃは一定であるため、オームの法則が成立する。したがって、ポンピングセル１１に印加したポンピング電圧Ｖｐに対して図１３に示すように傾き：１／Ｒｃの関係を有する直線Ｌｃとなる。
【００９２】
よって、想定電流Ｉｐ’をＩｐ’＝Ｖｐ／Ｒｃにより算出する。そして、この想定電流Ｉｐ’と実際に計測されたポンピング電流Ｉｐとの差である電流差ΔＩｐをΔＩｐ＝Ｉｐ’−Ｉｐにより算出する。
【００９３】
その後、電流差ΔＩｐの変化に対してポンピング電圧Ｖｐが逆変化するように補正されたポンピング電圧Ｖｐで制御を開始する。このポンピング電圧Ｖｐを制御の際には、サンプリング速度毎にＰＩＤ制御を行うことで更に整定性を向上させる事ができる。ここで、測定ガスの酸素濃度は、図１３に示されるように、酸素濃度に応じて限界電流値が異なるため、正確な限界電流値を計測できれば酸素濃度を測定することが可能である。
【００９４】
そこで、本実施例では、電流差ΔＩｐの変化に対してポンピング電圧Ｖｐを逆変化させる。具体的には、負の関係になるように制御する。補正係数Ｋとして、ΔＩｐ×Ｒｃ＝Ｋ×Ｉｐとなる。そして、ΔＩｐ＝（Ｖｐ／Ｒｃ）−Ｉｐより、Ｖｐ＝Ｉｐ×（Ｋ＋Ｒｃ）
となる。このＫ＋Ｒｃ＝Ｇとすれば、Ｖｐ＝Ｇ×Ｉｐとなる。このとき、制御装置９は、Ｇ＜０となるようにポンピング電圧Ｖｐを制御する。
【００９５】
本実施例では、初期電圧Ｖｐ０として、ポンピング電圧ＶｐはＶｐ＝Ｇ×Ｉｐ＋Ｖｐ０とする。制御装置９は、ポンピング電流Ｉｐが増加するとポンピング電圧Ｖｐを下降させ、反対にポンピング電流Ｉｐが下降するとポンピング電圧Ｖｐを増加させる。
【００９６】
以上、説明した実施形態によれば、第１の実施形態の（１）〜（３）と同様の効果に加え、以下の効果を奏することができる。
（６）ポンピングセル１１のポンピング電流Ｉｐの電流差ΔＩｐの変化に対してポンピング電圧Ｖｐを逆変化させる制御をおこなって、得られたポンピング電流Ｉｐから酸素濃度を測定する。すなわち、ポンピング電流Ｉｐが増加した際にはポンピング電圧Ｖｐを減少させ、反対にポンピング電流Ｉｐが減少した際にはポンピング電圧Ｖｐを増加させる制御をおこなう。これにより、ポンピング電流Ｉｐを速やかに安定させることができる。よって、微少なドリフトが抑制されるので、応答速度を速め、高精度に測定することができる。
【００９７】
また、図１４に示されるように、高酸素濃度ばかりでなく酸素濃度が低い領域（０％以上５％未満）やその他の５％以上から９０％未満の領域に使用しても有効に測定することが可能である。よって、高酸素濃度を含む広い酸素濃度範囲の測定誤差が抑制されて、高精度に酸素濃度を測定することができる。
【００９８】
また、第２〜６の実施形態における酸素センサの構造にも使用することができる。
なお、上記実施形態は、これを適宜変更した以下の形態にて実施することができる。
・上記第１の実施形態及び第５の実施形態では、酸素濃度を測定する際に制御装置９において、濃淡電池セル１２の測定電極１５と基準電極１６との間の起電力Ｖｓの一定値制御回路を短絡したが、基準電極１６が外部に露出するように形成しても良い。このようにすれば、濃淡電池セル１２の出力値に基づいてポンピングセル１１を意図的に制御できなくできる。
【００９９】
・上記第１〜５の実施形態では、外部ポンピング電極１８が＋極で内部ポンピング電極１９が−極となるように電圧が印加され、外部ポンピング電極１８から内部ポンピング電極１９へ向かう方向に通電したが、還元ガスの測定においては、＋極と−極とを逆転して印加して、通電しても良い。このようにすれば、還元ガスを含む広い領域の酸素濃度測定に有効である。
【０１００】
・上記実施形態では、酸素ボンベ２と測定チャンバ４との間の測定チャンバ４の前には測定ガスの流量を調節する調量弁７を設け、測定チャンバ４と排気口３との間の測定チャンバ４側には自動圧力制御器６を設けたが、調量弁７、自動圧力制御器６の配置を入れ替えてもよい。
【０１０１】
・上記実施形態では、本発明にかかる酸素濃度測定装置を酸素ボンベ２から排気口３へ供給されるガスの濃度を測定する酸素濃度測定装置１に適用したが、自動車・船舶用内燃機関や各種工業炉の燃焼混合ガスの空燃比等を計測する装置に適用してもよい。
【０１０２】
・上記実施形態では、ポンピング電圧Ｖｐを正変化または逆変化させて制御し、得られたポンピング電流Ｉｐから酸素濃度を測定したが、ポンピング電流Ｉｐにセル抵抗Ｒｃを乗じて得られるポンピング電圧Ｖｐに基づいて酸素濃度を測定してもよい。
【０１０３】
・上記実施形態では、ポンピングセル１１の抵抗値であるセル抵抗Ｒｃを用いて制御したが、セル抵抗Ｒｃの代わりに適当な定数で代用しても制御可能である。
・上記第１，６，７の実施形態では、酸素濃度を測定する際に、濃淡電池セル１２の測定電極１５と基準電極１６との間を短絡したが、測定電極１５、基準電極１６と内部ポンピング電極１９を短絡してもよい。
【０１０４】
また、基準ガス室１４から酸素イオンとして外部ポンピング電極１８を介して外部へ酸素ガスの移動のない場合、すなわちリーク酸素が発生しない場合には、測定電極１５、基準電極１６の短絡、または測定電極１５、基準電極１６、内部ポンピング電極１９の短絡を行う必要はない。
【符号の説明】
【０１０５】
１…酸素濃度測定装置、２…酸素ボンベ、３…排気口、４…測定チャンバ、５…流量計、６…自動圧力制御器、７…調量弁、８…酸素センサ、９…制御装置、１０…固体電解質層、１０ａ…上部、１０ｂ…下部、１１…ポンピングセル、１２…濃淡電池セル、１３…測定ガス室、１４…基準ガス室、１５…測定電極、１６…基準電極、１７…拡散層、１８…外部ポンピング電極、１９…内部ポンピング電極、２０…キャップ、２１…気体拡散孔、Ｉｐ…ポンピング電流（計測電流）、Ｉｐ’…想定電流、Ｒｃ…セル抵抗、Ｖｐ…ポンピング電圧、ΔＩｐ…電流差、ΔＩｂ…設定電流差、ΔＶｐ…電圧差、ΔＶｂ…設定電圧差。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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