JP2000074871A - 電気化学センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 拡散層の厚みを一定にし、試料の流速の影響
をできるだけ受けないようにして測定対象成分の濃度を
精度よく測定する。 【解決手段】 センサボディ２の一端に試料１０中の測
定対象ガスのみを通過させる隔膜３によって外部と区画
された室４を形成し、この室４内に電解液５を収容する
とともに、この電解液５中にアノード７とカソード６と
を配置し、隔膜３を通過した測定対象ガスが電極におい
て反応することにより前記両極間に流れる電流を測定回
路９において測定するように構成された電気化学センサ
において、試料１０における測定対象ガスの濃度の勾配
が安定した状態になるように、隔膜３の厚みを厚くする
とともに、カソード６の面積を小さくする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、隔膜式の電気化
学センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば液体に溶存する酸素の濃度を測定
するセンサの一つに、ガルバニ電池式の溶存酸素センサ
がある。図３は従来のこの種溶存酸素センサの要部を模
式的に示す図で、この図において、１はセンサ部で、合
成樹脂など適宜の材料よりなる筒状のセンサボディ２の
先端には測定対象ガスである酸素のみを透過させる隔膜
（例えば四フッ化エチレン樹脂などの高分子膜）３が設
けられている。この隔膜３の厚みは２５μｍである。そ
して、この隔膜３によってセンサボディ２内に形成され
た室４にはＫＯＨ溶液よりなる電解液５が充填されると
ともに、この電解液５に浸漬されるようにして銀よりな
るカソード６および鉛よりなるアノード７が設けられて
いる。前記カソード６の直径はφ２ｍｍである。

【０００３】８は図示していない本体側に設けられる電
流計で、カソード６やアノード７などとともに測定回路
９を形成している。

【０００４】上記構成の溶存酸素センサを用いて、試料
としての液体１０中の酸素を測定するには、スターラな
ど適宜の手法で攪拌されている試料１０中にセンサ部１
を浸漬する。試料１０中に溶存している酸素は、隔膜
３、隔膜３とカソード６との間の液薄膜５ａを拡散して
カソード６に達する。そして、このカソード６におい
て、酸素は下記（１）式に示す反応により水素イオン
（ＯＨ^- ）に還元される。 Ｏ₂ ＋２Ｈ₂ Ｏ＋４ｅ^- →４ＯＨ^- ……（１）

【０００５】上記反応による電流は、測定回路９の電流
計８により検出され、その出力は図示していない演算部
に入力され、ここで適宜演算処理することにより、試料
１０中に溶存している酸素の濃度が得られる。なお、ア
ノード７においては、下記（２）式に示す反応が行われ
る。 ２Ｐｂ＋４ＯＨ^- →２ＰｂＯ＋２Ｈ₂ Ｏ＋４ｅ^- ……（２）

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、図２（Ｂ）
は、上記測定時におけるカソード６近傍の酸素濃度勾配
を模式的に示すもので、この図において、横軸方向は、
左から右に、カソード６，電解液５ａ，隔膜３，試料１
０の層を示し、縦軸は酸素濃度を示している。また、符
号１１は拡散層を示している。そして、図中の太い実線
１２は、試料１０の流速がある一定の値であるときにお
ける濃度勾配を示し、細い仮想線１３は、前記流速が前
記ある一定の値よりも小さいときにおける濃度勾配を示
している。

【０００７】また、前記カソード６における反応に起因
して生ずる電流（ガルバニ電流）ｉは、次の式で表され
る。 ｉ＝ｎＦＡＤＣ／ｄ ……（３） ここで、ｎは（１）式に関与する電子数、Ｆはファラデ
ー定数、Ｃは酸素濃度、Ｄは拡散定数、ｄは拡散層の厚
みである。

【０００８】つまり、上記（３）式から理解されるよう
に、測定電流ｉは、拡散層１１の厚みｄに依存してい
る。このため、試料９の流速が変化すると、拡散層１１
の厚みｄも変化し、特にこれが試料１０に達するとその
影響が大きくなり、測定電流ｉは試料１０の流速影響を
大きく受けることとなる。また、図２（Ｂ）の細い仮想
線１３に示されるように、試料１０の流速が一定の値よ
りも小さい場合、酸素の拡散が試料１０中でも行われて
いるため、拡散層１１の厚みｄが安定せず、拡散層１１
の厚みｄが試料１０にまで達し、濃度勾配が試料１０中
においてもなかなか安定しないといった不都合がある。

【０００９】上述の問題は、溶存酸素センサのみなら
ず、溶存するアンモニアや残留塩素などの濃度を測定す
る他の電気化学センサにおいても生じているところであ
る。

【００１０】この発明は、前記の点に留意してなされた
ものであり、その目的は、拡散層の厚みを一定にし、試
料の流速の影響をできるだけ受けないようにして測定対
象成分の濃度を精度よく測定できる電気化学センサを提
供することである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、本発明の電気化学センサは、センサボディの一端に
試料中の測定対象ガスのみを通過させる隔膜によって外
部と区画された室を形成し、この室内に電解液を収容す
るとともに、この電解液中にアノードとカソードとを配
置し、隔膜を通過した測定対象ガスが電極において反応
することにより前記両極間に流れる電流を測定回路にお
いて測定するように構成された電気化学センサにおい
て、前記試料における測定対象ガスの濃度の勾配が安定
した状態になるように、前記隔膜の厚みを厚くするとと
もに、前記カソードの面積を小さくしたものである。

【００１２】したがって、試料における測定対象ガスの
濃度の勾配が安定した状態になるように、隔膜の厚みを
厚くするとともに、カソードの面積を小さくしたため、
拡散層の厚みが全方向に一定になり、試料の流速の影響
を受けることなく、測定対象成分の濃度測定を精度よく
行うことができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】発明の実施の１形態につき図１お
よび図２（Ａ）を参照して説明する。それらの図におい
て、図２（Ｂ）および図３と同一符号は同一もしくは相
当するものを示し、異なる点は、隔膜３の厚みを従来の
２５μｍから５０μｍと約２倍にするとともに、カソー
ド６の直径を従来のφ２ｍｍからφ０．３ｍｍにし、カ
ソード６の接液面積をπｍｍ² から０．０２２５πｍｍ
² と約１／４５にした点であり、これにより、試料１０
における酸素濃度の勾配が、図２（Ａ）に示すように、
安定した状態となって、試料１０の流速にかかわらず、
拡散層１１の全方向の厚みが一定になり、試料１０中に
溶存している酸素の濃度を正確に測定することができ
た。

【００１４】なお、本発明者らの実験によれば、隔膜３
の厚みを５０μｍ〜２００μｍとし、カソード６の面積
はφ０．２ｍｍ〜φ０．５ｍｍにすることにより、前記
効果を奏することが判明した。また、隔膜３の厚みが２
００μｍを越えたり、あるいはカソード６の面積がφ
０．２ｍｍ以下と小さくなりすぎると、応答が遅くなる
という不都合がある。

【００１５】また、前記形態の場合、液体中に溶存して
いる酸素の濃度を検出するセンサを例にとって説明した
が、本発明はこれに限らず、アンモニア，残留塩素等の
種々の電気化学センサに適用できることは勿論である。

【００１６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の電気化学
センサは、試料における測定対象ガスの濃度の勾配が安
定した状態になるように、隔膜の厚みを厚くするととも
に、カソードの面積を小さくしたため、拡散層の厚みが
全方向に一定になり、試料の流速の影響を受けることな
く、測定対象成分の濃度測定を精度よく行うことができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の１形態の概略構成図である。

【図２】測定時におけるカソード近傍の酸素濃度勾配を
模式的に示す図で、（Ａ）は本発明の溶存酸素センサの
ものであり、（Ｂ）は従来の溶存酸素センサのものであ
る。

【図３】従来例の概略構成図である。

【符号の説明】

２…センサボディ、３…隔膜、４…室、５…電解液、６
…カソード、７…アノード、９…測定回路、１０…試
料。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 センサボディの一端に試料中の測定対象
   ガスのみを通過させる隔膜によって外部と区画された室
   を形成し、この室内に電解液を収容するとともに、この
   電解液中にアノードとカソードとを配置し、隔膜を通過
   した測定対象ガスが電極において反応することにより前
   記両極間に流れる電流を測定回路において測定するよう
   に構成された電気化学センサにおいて、 前記試料における測定対象ガスの濃度の勾配が安定した
   状態になるように、前記隔膜の厚みを厚くするととも
   に、前記カソードの面積を小さくしたことを特徴とする
   電気化学センサ。
2. 【請求項２】 前記隔膜の厚みを５０μｍ〜２００μｍ
   と厚くし、前記カソードの面積はφ０．２ｍｍ〜０．５
   ｍｍと小さくしたことを特徴とする請求項１に記載の電
   気化学センサ。
3. 【請求項３】 前記電気化学センサが溶存酸素センサで
   あって、前記隔膜の厚みを５０μｍと厚くし、前記カソ
   ードの面積はφ０．３ｍｍと小さくしたことを特徴とす
   る請求項１に記載の電気化学センサ。