JP2000321237A - 酸素濃度計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 センサ部と本体部との距離を任意に設定可能
な酸素濃度計を提供すること。 【解決手段】 酸素濃度センサチップを有したセンサ部
１１と、酸素濃度センサチップに電圧を印加するヒータ
印加回路１３、および酸素濃度センサチップから供給さ
れたセンサ出力信号の電圧レベルを調整するセンサ検出
回路１５を有した中継部１７と、供給された電力を制御
する電源回路２１、および電圧レベルが調整されたセン
サ出力信号を増幅する増幅回路２３を有した本体部２５
とを備えて構成されている。センサ部１１と中継部１７
とは、固定長の接続ケーブル３１によって接続されてお
り、中継部１７と本体部２５とは任意長さの延長ケーブ
ル３３によって接続されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は酸素濃度計に係り、
特に、本体部とセンサとの距離を任意に設定可能な酸素
濃度計に関する。

【０００２】

【従来の技術】酸素濃度計の従来例として、限界電流型
の酸素濃度センサを用いた酸素濃度計を説明する。図７
は従来の酸素濃度計を示す概略図であり、図８は従来の
酸素濃度計を示すブロック図である。図７および図８に
おいて、従来の酸素濃度計は、センサ部７１と、ヒータ
印加回路７３、センサ検出回路７５、増幅回路７７およ
び電源回路７９を有した本体部８１とを備えて構成され
ている。また、センサ部７１は本体部８１から別体とし
て分離されており、延長ケーブル８３によって本体部８
１に接続されている。

【０００３】まず、センサ部７１は、例えば、図３に示
す直接挿入型の限界電流型の酸素センサアッシー５によ
って実現されている。図３は、直接挿入型の限界電流型
酸素センサアッシー５を示す分解斜視図である。該酸素
センサアッシー５は、約２００〜４００℃の燃焼ガス等
の測定すべき雰囲気中に直接挿入して用いられる。外壁
となる円筒状のステンパイプ５２には、高温に耐え得る
ステンレスや耐熱ゴム等を用いている。また、同図に示
すように、ステンパイプ５２の端部に酸素濃度センサチ
ップ６が取り付けられており、該酸素濃度センサチップ
６はステンキャップ５１に覆われることによって保護さ
れている。また、酸素濃度センサチップ６からの出力信
号は、４本の耐熱ケーブル５４の内２本を用いて限界電
流型酸素センサアッシー５外部へ取り出される。さら
に、ステンパイプ５２と耐熱ケーブル５４との途中に
は、耐熱ゴムキャップ５３が設けられている。

【０００４】次に、図４を参照して、酸素濃度センサチ
ップ６について説明する。図４は、ステンパイプ５２の
先端に取り付けられる酸素濃度センサチップ６を示す分
解斜視図である。酸素濃度センサチップ６は、例えば、
一辺"Ｂ"が約３ｍｍ程度の四角形の多孔質セラミック基
板６１上にカソード電極６２とジルコニア固体電解質６
３と、該ジルコニア固体電解質６３上に設けられたプレ
ート電極６４とを有した積層構造となっており、多孔質
セラミック基板６１の裏に加熱用の白金（Ｐｔ）ヒータ
６５が櫛形に設けられている。なお、カソード電極６
２、プレート電極６４、Ｐｔヒータ６５のそれぞれに
は、接続端子６２Ａ、６４Ａ、６５Ａが取り付けられて
いる。このような酸素濃度センサチップ６は、耐熱ケー
ブル５４の残りの２本を用いて、ジルコニア固体電解質
６３の裏からＰｔヒータ６５によって所定温度の約６０
０〜７００℃に加熱されている。

【０００５】以上のような構造の酸素濃度センサチップ
６を、上述したようにＰｔヒータ６５を用いて所定温度
に加熱しておき、ジルコニア固体電解質６３に電流を流
すと、雰囲気中に酸素が存在するときカソード電極６２
からプレート電極６４へ酸素が移動する現象を呈する。
これを酸素ポンプ作用と呼んでいる。その際、カソード
電極６２への酸素の流入は多孔質セラミック基板６１の
多孔の空き具合で制限されるので、それ以上は電圧をか
けても電流がそれ以上流れなくなり、一定値の飽和状態
になってしまう現象を呈する。ところが、過電圧が加わ
ると今度は還元が始まるために、再び電流が急増しはじ
める。この間の飽和状態中の電流を特に限界電流と呼ん
でいる。この限界電流は酸素濃度に比例するために、一
定電圧を印加することによって得られる酸素濃度センサ
チップ６が出力する信号の電流値より酸素濃度が検出で
きる。

【０００６】また、ヒータ印加回路７３はブリッジ回路
等により実現されており、センサ部７１のＰｔセンサ６
５に電圧を印加している。また、ヒータ印加回路７３
は、Ｐｔヒータ６５の動抵抗値を常時制御することによ
って、Ｐｔセンサ６５の最適な温度を補償している。

【０００７】また、センサ検出回路７５は、固定抵抗等
から構成されており、センサ部７１からの出力信号を検
出している。

【０００８】また、増幅回路７７は、ＯＰアンプ等によ
って実現されている。増幅回路７７は、ゲインを変化さ
せることによってセンサ検出回路７５から供給されたセ
ンサ出力信号の電圧レベルを調整し、該調整されたセン
サ出力信号をＣＰＵ回路（図示せず）へ供給している。

【０００９】さらに、電源回路７９は、交流電源等によ
って供給された電力を制御する回路であり、増幅回路７
７およびヒータ印加回路７３に電力を供給している。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の酸素濃度計
では、本体部８１とセンサ部７１とが分離されているた
め、酸素濃度計全体を高温な燃焼ガス等の測定すべき雰
囲気中にさらす必要がなくなる。ところが、ヒータ印加
回路７３がＰｔヒータ６５に印加する電圧によってＰｔ
ヒータ６５を流れる電流の電流値は、Ｐｔヒータ６５の
抵抗値だけではなく延長ケーブル８３のインピーダンス
によっても影響を受けるため、延長ケーブル８３として
任意の長さのものを用いることができないという問題点
があった。

【００１１】この場合、例えば、センサ部７１および本
体部８１の設置場所によっては延長ケーブル８３が余っ
てしまい、このときは該延長ケーブル８３の余った部分
を束ねる必要があった。逆に、延長ケーブル８３が足り
ないときは、本体部８１の設置場所を変更する必要があ
った。

【００１２】本発明は、上記従来の問題点に鑑みてなさ
れたものであって、センサ部と本体部との距離を任意に
設定可能な酸素濃度計を提供することを目的としてい
る。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の請求項１に係る酸素濃度計は、酸素濃度を
検出する酸素濃度計において、雰囲気内の酸素濃度を検
出して雰囲気信号を生成する酸素濃度検出手段を有した
センサ部と、前記酸素濃度検出手段に電圧を印加する電
圧印加手段、および前記酸素濃度検出手段が生成した雰
囲気信号の電圧レベルを調整する電圧レベル調整手段を
有した中継部と、当該酸素濃度計の本体部と、を備え、
前記中継部は、前記本体部とは別体として構成され、第
１の接続ケーブルを介して前記本体部に接続され、前記
センサ部は、固定長の第２の接続ケーブルを介して前記
中継部に接続されていることを特徴とする。

【００１４】また、請求項２に係る酸素濃度計は、請求
項１に記載の酸素濃度計において、前記本体部は、前記
電圧レベル調整手段が出力した信号を増幅する増幅手段
と、前記増幅手段および前記電圧印加手段に電力を供給
する電源手段と、を有し、前記増幅手段は、前記電圧レ
ベル調整手段に前記第１の接続ケーブルを介して接続さ
れ、前記電源手段は、前記電圧印加手段に前記第１の接
続ケーブルを介して接続されていることを特徴とする。

【００１５】本発明の請求項１に係る酸素濃度計では、
雰囲気内の酸素濃度を検出して雰囲気信号を生成する酸
素濃度検出手段を有したセンサ部と、酸素濃度検出手段
に電圧を印加する電圧印加手段、および酸素濃度検出手
段が生成した雰囲気信号の電圧レベルを調整する電圧レ
ベル調整手段を有した中継部と、酸素濃度計の本体部
と、を備え、中継部は、本体部とは別体として構成さ
れ、第１の接続ケーブルを介して本体部に接続され、セ
ンサ部は、固定長の第２の接続ケーブルを介して中継部
に接続されている。

【００１６】特に、請求項２に係る酸素濃度計では、本
体部は、電圧レベル調整手段が出力した信号を増幅する
増幅手段と、増幅手段および電圧印加手段に電力を供給
する電源手段と、を有し、増幅手段は、電圧レベル調整
手段に第１の接続ケーブルを介して接続され、電源手段
は、電圧印加手段に第１の接続ケーブルを介して接続さ
れている。

【００１７】このように、第２の接続ケーブルは固定長
であるために、第２の接続ケーブルのインピーダンスは
固定され、かつ、第１の接続ケーブルの長さまたはイン
ピーダンスは酸素濃度検出手段に印加する電圧の電圧レ
ベルに影響を与えないため、第１の接続ケーブルに任意
の長さのケーブルを用いることができる。したがって、
本体部の設置位置とセンサ部または中継部の設置位置と
の距離に応じた適当な長さの第１の接続ケーブルを選択
して用いることにより、本体部を所望の位置に設置する
ことができる。

【００１８】また、電圧レベル調整手段は、酸素濃度検
出手段が生成した雰囲気信号の電圧レベルを、特に可変
抵抗を用いてその抵抗値を変化させることによって調整
しているため、酸素濃度検出手段個々の特に初期的なば
らつきを調整することができる。したがって、増幅手段
がＯＰアンプ等によって実現されている場合、電圧レベ
ル調整手段によって調整できない範囲のばらつきを調整
するために必要な、ＯＰアンプのゲインの変化分（初期
調整範囲）を小さくすることができる。このため、酸素
濃度検出回路の経時的な特性の変動等に対する調整のた
めの、ＯＰアンプのゲインの変化分（補正マージン）
と、初期調整範囲との差を大きくとることができるた
め、酸素濃度検出手段の経時的な特性の変動等に対して
も増幅手段を用いて十分調整することができ、十分な互
換性を得ることができる。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の酸素濃度計の実施
の形態について、図１〜図４を参照して詳細に説明す
る。図１は本発明の一実施形態に係る酸素濃度計を示す
概略図であり、図２は本発明の一実施形態に係る酸素濃
度計を示すブロック図であり、図３は直接挿入型の限界
電流型酸素センサアッシーを示す分解斜視図であり、図
４は酸素濃度センサチップを示す斜視図である。る。

【００２０】図１および図２において、本実施形態の酸
素濃度計は、センサ部１１と、特許請求の範囲の電圧印
加回路に該当するヒータ印加回路１３および電圧調整レ
ベル手段に該当するセンサ検出回路１５を有した中継部
１７と、電源手段に該当する電源回路２１および増幅手
段に該当する増幅回路２３を有した本体部２５とを備え
て構成されている。また、センサ部１１と中継部１７と
は、特許請求の範囲の第２の接続ケーブルに該当する固
定長の接続ケーブル３１によって接続されており、中継
部１７と本体部２５とは任意長さの第１の接続ケーブル
に該当する延長ケーブル３３によって接続されている。

【００２１】まず、センサ部１１は、例えば、図３に示
す直接挿入型の限界電流型の酸素センサアッシー５によ
って実現されている。該酸素センサアッシー５は、約２
００〜４００℃の燃焼ガス等の測定すべき雰囲気中に直
接挿入して用いられる。外壁となる円筒状のステンパイ
プ５２には、高温に耐え得るステンレスや耐熱ゴム等を
用いている。また、同図に示すように、ステンパイプ５
２の端部には、特許請求の範囲の酸素濃度検出手段に該
当する酸素濃度センサチップ６が取り付けられており、
該酸素濃度センサチップ６はステンキャップ５１に覆わ
れることによって保護されている。また、酸素濃度セン
サチップ６からの出力信号は、４本の耐熱ケーブル５４
の内２本を用いて限界電流型酸素センサアッシー５外部
へ取り出される。さらに、ステンパイプ５２と耐熱ケー
ブル５４との途中には、耐熱ゴムキャップ５３が設けら
れている。

【００２２】次に、図４を参照して、ステンパイプ５２
の先端に取りけられる酸素濃度センサチップ６について
説明する。該酸素濃度センサチップ６は、例えば、一
辺”Ｂ”が約３ｍｍ程度の四角形の多孔質セラミック基
板６１上にカソード電極６１とジルコニア固体電解質６
３と、該ジルコニア固体電解質６３上に設けられたプレ
ート電極６４とを有した積層構造となっており、多孔質
セラミック基板６１の裏に加熱用の白金（Ｐｔ）ヒータ
６５が櫛形に設けられている。なお、カソード電極６
２、プレート電極６４、Ｐｔヒータ６５のそれぞれに
は、接続端子６２Ａ、６４Ａ、６５Ａが取り付けられて
いる。このような酸素濃度センサチップ６は、耐熱ケー
ブル５４の残りの２本を用いて、ジルコニア固体電解質
６３の裏からＰｔヒータ６５によって所定温度の約６０
０〜７００℃に加熱されている。

【００２３】また、ヒータ印加回路１３は、延長ケーブ
ル３３が有する４本の電線の内２本の電線によって電源
回路７９と接続されており、接続ケーブル３１が有する
４本の電線の内２本の電線によってセンサ部１１が有す
る酸素濃度センサチップ６の接続端子６５Ａに接続され
ている。該ヒータ印加回路１３はブリッジ回路によって
実現されており、上述した接続ケーブル３１を介してセ
ンサ部１１が有する酸素濃度センサチップ６のＰｔセン
サ６５に電圧を印加している。このため、Ｐｔヒータ６
５は発熱するが、ヒータ印加回路１３によってＰｔヒー
タ６５の動抵抗値が常時制御されているため、酸素濃度
センサチップ６毎に最適温度（例えば、約６５０℃）に
補償されている。

【００２４】また、センサ検出回路１５は、延長ケーブ
ルが有する残りの２本の電線によって増幅回路２３と接
続されており、接続ケーブル３１が有する残りの２本の
電線によってカソード電極６２の接続端子６２Ａおよび
プレート電極６４の接続端子６４Ａに接続されている。
該センサ検出回路１５は可変抵抗を備えている。該可変
抵抗は、センサ部１１が有する酸素濃度センサチップ６
から供給された出力信号を検出するための検出抵抗であ
り、抵抗値を変化させることによって増幅回路２３に供
給するセンサ出力信号の電圧レベルを調整している。

【００２５】また、増幅回路２３は、ＯＰアンプ等によ
って実現されている。増幅回路２３は、ゲインを変化さ
せることによってセンサ検出回路１５から供給されたセ
ンサ出力信号の電圧レベルを調整して、該調整されたセ
ンサ出力信号をＣＰＵ回路（図示せず）へ供給してい
る。

【００２６】さらに、電源回路２１は、商用電源等によ
って供給された電力を制御する回路であり、増幅回路２
３およびヒータ印加回路１３に電力を供給している。な
お、ヒータ印加回路１３には、上述したように、延長ケ
ーブル３３を用いて電力を供給している。

【００２７】以上のように、本実施形態の酸素濃度計に
よれば、ヒータ印加回路１３およびセンサ検出回路１５
を有する中継部１７を、別体として本体部２５から分離
した。また、中継部１７とセンサ部１１とを固定長の接
続ケーブル３１を介して互いに接続し、中継部と本体部
２５とを延長ケーブル３３を介して互いに接続した。こ
のように、中継部１７とセンサ部１１とを結ぶ接続ケー
ブル３１は固定長であるために、該接続ケーブル３１の
インピーダンスは固定され、かつ、中継部１７と本体部
２５とを結ぶ延長ケーブル３３の長さまたはインピーダ
ンスは酸素濃度センサチップ６のＰｔヒータ６５に印加
する電圧の電圧レベルに影響を与えないため、任意長さ
の延長ケーブルを用いることができる。したがって、本
体部２５の設置位置とセンサ部１１または中継部１７の
設置位置との距離に応じた適当な長さの延長ケーブル３
３を選択して用いることにより、センサ部１１または中
継部１７の設置位置に依らず、本体部２５を所望の位置
に設置することができる。

【００２８】なお、酸素濃度センサチップ６は、耐久性
の問題から所定期間毎、例えば１年毎に交換されてい
る。このとき、センサ部１１に新しい酸素濃度センサチ
ップ６が備えられることとなるが、本実施形態の酸素濃
度計では、センサ検出回路１５が有する可変抵抗の抵抗
値を変化させることによって、酸素濃度センサチップ６
個々の初期的なばらつきを調整している。また、増幅回
路２３のゲインを変化させることによって、酸素濃度セ
ンサチップ６個々のセンサ検出回路１５では調整しきれ
ない初期的なばらつきを調整し、かつ酸素濃度センサチ
ップ６の経時的な特性の変動等に対して補正を行ってい
る。以下、増幅回路２３のゲインの変化による、酸素濃
度センサチップ６個々の初期的なばらつきに対する調整
範囲を「初期調整範囲」と称し、酸素濃度センサチップ
６の経時的な特性の変動等に対する補正範囲を「補正マ
ージン」と称する。

【００２９】次に、初期調整範囲と補正マージンとセン
サ検出回路１５が出力するセンサ出力信号の電圧レベル
との関係について、図５および図６を参照して説明す
る。図５は本実施形態の酸素濃度計に係るセンサ出力信
号の電圧と増幅回路のゲインとの関係を説明するグラフ
であり、図６は従来の酸素濃度計に係るセンサ出力信号
の電圧と増幅回路のゲインとの関係を示すグラフを説明
するグラフである。

【００３０】図５に示すように、本実施形態の酸素濃度
計においては、センサ検出回路１５が有する可変抵抗の
抵抗値を変化させることによって、酸素濃度センサチッ
プ６個々のばらつきを調整して、例えば、センサ検出回
路１５が出力するセンサ出力信号の電圧レベルを約２２
０〜２４０ｍＶと狭い範囲内に抑えることができるた
め、初期調整範囲をゲインが約９．０〜１１．５と狭く
できる。また、補正マージンは、ゲインが約８．０〜１
４．０である。

【００３１】一方、仮にセンサ検出回路１５が可変抵抗
の代わりに固定抵抗を有しているときは、図６に示すよ
うに、センサ検出回路１５は酸素濃度センサチップ６個
々のはらつきを調整できないため、例えば、センサ検出
回路１５が出力するセンサ出力信号の電圧レベルが約１
６０〜２８０ｍＶと広い範囲に広がってしまう。このた
め、初期調整範囲を先の例よりも広くとる必要がある
が、初期調整範囲と補正マージン（図５に示す例と同じ
く、約８．０〜１４．０）との差をある程度確保してお
く必要があるため、図６においてはゲイン約９．０〜１
３．０を初期調整範囲としている。このとき、酸素濃度
センサチップ６個々によるセンサ検出回路１５が出力す
るセンサ出力信号の電圧レベルは初期調整範囲内に全て
収まっていないため、該初期調整範囲外の酸素濃度セン
サチップ６は初期不良と見なされてしまう。また、初期
調整範囲と補正マージンとの差が小さいために、酸素濃
度センサチップ６を新しく交換しても、ものによっては
経時的なセンサ特性の劣化等によって交換直後に補正マ
ージンを超えてしまう可能性があった。

【００３２】このように、図６に示す従来の固定抵抗を
用いた例では、センサ検出回路１５において酸素濃度セ
ンサチップ６個々のばらつきを予め調整していないた
め、初期調整範囲と補正マージンとの差が小さいが、図
５に示す本実施形態の可変抵抗を用いた例では、センサ
検出回路１５において酸素濃度センサチップ６個々のば
らつきを調整しているため、初期調整範囲と補正マージ
ンとの差を大きくとることができる。このため、酸素濃
度センサチップ６を新しく交換しても、経時的なセンサ
特性の変動等を増幅回路２３のゲインの変化によって十
分補正することができるため、十分な互換性を得ること
ができる。

【００３３】また、従来の酸素濃度計によれば、ヒータ
印加回路１３は、Ｐｔヒータ６５の基準とされた動抵抗
値に対して調整を行っており、下記の表１に示すよう
に、酸素濃度センサチップ６個々の静抵抗値およびＰｔ
ヒータ６５による酸素濃度センサチップ６の温度にばら
つきがあったため、Ｐｔヒータ６５の温度にも幅が生じ
ていた。しかしながら、本実施形態の酸素濃度計によれ
ば、ヒータ印加回路１３を用いて酸素濃度センサチップ
６毎に最適温度（６５０℃）に調整することができる。

【００３４】

【表１】

【００３５】なお、本実施形態においては、酸素濃度セ
ンサチップ６として限界電流型の酸素濃度センサを用い
たが、代わりに濃淡電池式や磁気式の酸素濃度センサを
用いても良い。

【００３６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の酸素濃度
計によれば、雰囲気内の酸素濃度を検出して雰囲気信号
を生成する酸素濃度検出手段を有したセンサ部と、酸素
濃度検出手段に電圧を印加する電圧印加手段、および酸
素濃度検出手段が生成した雰囲気信号の電圧レベルを調
整する電圧レベル調整手段を有した中継部と、酸素濃度
計の本体部と、を備え、中継部は、本体部とは別体とし
て構成され、第１の接続ケーブルを介して本体部に接続
され、センサ部は、固定長の第２の接続ケーブルを介し
て中継部に接続されている。

【００３７】また、本体部は、電圧レベル調整手段が出
力した信号を増幅する増幅手段と、増幅手段および電圧
印加手段に電力を供給する電源手段と、を有し、増幅手
段は、電圧レベル調整手段に第１の接続ケーブルを介し
て接続され、電源手段は、電圧印加手段に第１の接続ケ
ーブルを介して接続されている。

【００３８】このように、第２の接続ケーブルは固定長
であるために、第２の接続ケーブルのインピーダンスは
固定され、かつ、第１の接続ケーブルの長さまたはイン
ピーダンスは酸素濃度検出手段に印加する電圧の電圧レ
ベルに影響を与えないため、第１の接続ケーブルに任意
の長さのケーブルを用いることができる。したがって、
本体部の設置位置とセンサ部または中継部の設置位置と
の距離に応じた適当な長さの第１の接続ケーブルを選択
して用いることにより、本体部を所望の位置に設置する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係る酸素濃度計を示す概
略図である。

【図２】本発明の一実施形態に係る酸素濃度計を示すブ
ロック図である。

【図３】直接挿入型の限界電流型酸素センサアッシーを
示す分解斜視図である。

【図４】酸素濃度センサチップを示す斜視図である。

【図５】本実施形態の酸素濃度計に係る、センサ出力信
号の電圧と増幅回路のゲインとの関係を説明するグラフ
である。

【図６】従来の酸素濃度計に係るセンサ出力信号の電圧
と増幅回路のゲインとの関係を示すグラフである。

【図７】従来の酸素濃度計を示す概略図である。

【図８】従来の酸素濃度計を示すブロック図である。

【符号の説明】

１１ センサ部 １３ ヒータ印加回路 １５ センサ検出回路 １７ 中継部 ２１ 電源回路 ２３ 増幅回路 ２５ 本体部

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 酸素濃度を検出する酸素濃度計におい
   て、 雰囲気内の酸素濃度を検出して雰囲気信号を生成する酸
   素濃度検出手段を有したセンサ部と、 前記酸素濃度検出手段に電圧を印加する電圧印加手段、
   および前記酸素濃度検出手段が生成した雰囲気信号の電
   圧レベルを調整する電圧レベル調整手段を有した中継部
   と、 当該酸素濃度計の本体部と、を備え、 前記中継部は、前記本体部とは別体として構成され、第
   １の接続ケーブルを介して前記本体部に接続され、 前記センサ部は、固定長の第２の接続ケーブルを介して
   前記中継部に接続されていることを特徴とする酸素濃度
   計。
2. 【請求項２】 前記本体部は、 前記電圧レベル調整手段が出力した信号を増幅する増幅
   手段と、 前記増幅手段および前記電圧印加手段に電力を供給する
   電源手段と、を有し、 前記増幅手段は、前記電圧レベル調整手段に前記第１の
   接続ケーブルを介して接続され、 前記電源手段は、前記電圧印加手段に前記第１の接続ケ
   ーブルを介して接続されていることを特徴とする請求項
   １記載の酸素濃度計。