JP2001108651A - 可燃ガス対応微量酸素測定装置及び測定方法 - Google Patents
可燃ガス対応微量酸素測定装置及び測定方法Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 酸素センサの金属電極上における微量可燃ガ
スの燃焼による酸素の低減量を補正することにより、正
確な微量酸素濃度の測定を可能ならしめる可燃ガス対応
微量酸素測定装置及び測定方法を提供する。 【解決手段】 酸素イオン伝導性固体電解質と金属電極
を備えた酸素センサを、バイアスセンサ５２及びメジャ
ーセンサ５１として別々に用いてなる可燃ガス対応微量
酸素測定装置５０である。バイアスセンサ５２において
は、測定ガスを脱酸素カラム５５に通して得られる脱酸
素測定ガス中の可燃ガスを、酸素ポンプセルを用いて供
給される酸素によって燃焼させることにより、測定ガス
中の可燃ガス量を測定する。一方、メジャーセンサ５１
においては、バイアスセンサ５２によって測定された可
燃ガス量相当の酸素を測定ガスに酸素ポンプセルを用い
て別途汲み入れることにより、測定ガス中の可燃ガスを
燃焼させて、測定ガスに最初から含まれる酸素濃度を測
定する。
スの燃焼による酸素の低減量を補正することにより、正
確な微量酸素濃度の測定を可能ならしめる可燃ガス対応
微量酸素測定装置及び測定方法を提供する。 【解決手段】 酸素イオン伝導性固体電解質と金属電極
を備えた酸素センサを、バイアスセンサ５２及びメジャ
ーセンサ５１として別々に用いてなる可燃ガス対応微量
酸素測定装置５０である。バイアスセンサ５２において
は、測定ガスを脱酸素カラム５５に通して得られる脱酸
素測定ガス中の可燃ガスを、酸素ポンプセルを用いて供
給される酸素によって燃焼させることにより、測定ガス
中の可燃ガス量を測定する。一方、メジャーセンサ５１
においては、バイアスセンサ５２によって測定された可
燃ガス量相当の酸素を測定ガスに酸素ポンプセルを用い
て別途汲み入れることにより、測定ガス中の可燃ガスを
燃焼させて、測定ガスに最初から含まれる酸素濃度を測
定する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】 本発明は、微量酸素を微量
可燃ガスを含むガスの製造工程或いは製品について用い
られる微量酸素測定装置及び測定方法に関し、より詳し
くは、酸素センサの金属電極上における微量可燃ガスの
燃焼による酸素の低減量を補正することにより、正確な
微量酸素濃度の測定を可能ならしめる可燃ガス対応微量
酸素測定装置及び測定方法に関する。
可燃ガスを含むガスの製造工程或いは製品について用い
られる微量酸素測定装置及び測定方法に関し、より詳し
くは、酸素センサの金属電極上における微量可燃ガスの
燃焼による酸素の低減量を補正することにより、正確な
微量酸素濃度の測定を可能ならしめる可燃ガス対応微量
酸素測定装置及び測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】 ガス精製業はもとより、半導体製造プ
ロセス、鉄鋼・金属等の熱処理（無酸化炉）、特殊金属
溶接、食品包装といった多岐に渡る分野において、高純
度ガスが使用されている。このような高純度ガスのう
ち、酸素濃度の制御が必要とされるアルゴン（Ａｒ）ガ
ス、窒素（Ｎ2）ガス、ヘリウム（Ｈｅ）ガス等の高純
度ガスの製造工程或いは製品の品質管理（酸素濃度管
理）は、１ｐｐｍ以下のオーダーで、より正確に求めら
れるようになってきている。
ロセス、鉄鋼・金属等の熱処理（無酸化炉）、特殊金属
溶接、食品包装といった多岐に渡る分野において、高純
度ガスが使用されている。このような高純度ガスのう
ち、酸素濃度の制御が必要とされるアルゴン（Ａｒ）ガ
ス、窒素（Ｎ2）ガス、ヘリウム（Ｈｅ）ガス等の高純
度ガスの製造工程或いは製品の品質管理（酸素濃度管
理）は、１ｐｐｍ以下のオーダーで、より正確に求めら
れるようになってきている。
【０００３】 微量酸素を含むこれらの高純度ガスに
は、更に、微量酸素よりも少量の可燃ガスが不純物とし
て含まれることが一般的である。例えば、高純度Ａｒガ
スの不純物組成としては、Ｏ2≦０．１ｐｐｍ、ＣＯ≦
０．１ｐｐｍ、ＣＨ4≦０．１ｐｐｍ、Ｈ2≦０．２ｐｐ
ｍ、を挙げることができる。これらの不純物の混入は、
多くの工業用高純度ガスの製造に用いられている深冷空
気分離装置で精製したガスにおいては、避けることが困
難である。また、これら不純物の混入量は不可避な最低
量のレベルにまで達している。
は、更に、微量酸素よりも少量の可燃ガスが不純物とし
て含まれることが一般的である。例えば、高純度Ａｒガ
スの不純物組成としては、Ｏ2≦０．１ｐｐｍ、ＣＯ≦
０．１ｐｐｍ、ＣＨ4≦０．１ｐｐｍ、Ｈ2≦０．２ｐｐ
ｍ、を挙げることができる。これらの不純物の混入は、
多くの工業用高純度ガスの製造に用いられている深冷空
気分離装置で精製したガスにおいては、避けることが困
難である。また、これら不純物の混入量は不可避な最低
量のレベルにまで達している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】 このような高純度ガ
ス中の微量酸素を定量するための酸素センサとしては、
黄燐発光式や特殊なガルバニ式のものが挙げられる。ま
た、可燃ガスを含んだガスの場合には、磁気式のものが
多く用いられている。しかしながら、これらの酸素セン
サは、コスト高で短寿命であり、更に、細かな維持管理
が必要といった種々の問題を抱えている。従って、小型
で操作・保守が簡単で低コストであり、しかも長寿命で
ある酸素センサが望まれている。
ス中の微量酸素を定量するための酸素センサとしては、
黄燐発光式や特殊なガルバニ式のものが挙げられる。ま
た、可燃ガスを含んだガスの場合には、磁気式のものが
多く用いられている。しかしながら、これらの酸素セン
サは、コスト高で短寿命であり、更に、細かな維持管理
が必要といった種々の問題を抱えている。従って、小型
で操作・保守が簡単で低コストであり、しかも長寿命で
ある酸素センサが望まれている。
【０００５】 このような要求に応えられる酸素センサ
の１つの候補として、高温で良好な酸素イオン伝導性を
示すジルコニア（ＺｒＯ2）を用いた酸素センサを挙げ
ることができる。しかしながら、ＺｒＯ2酸素センサ
は、ＺｒＯ2磁器を金属電極で挟んだ構造を有し、測定
ガスが直接に金属電極に接するために、測定ガス中に酸
素と可燃ガスが共存すると、金属電極上で可燃ガスの燃
焼が起こって酸素濃度が減少する問題を生じる。つま
り、実際に測定ガスに含まれる酸素濃度よりも小さい濃
度の酸素濃度を検出してしまう問題があった。
の１つの候補として、高温で良好な酸素イオン伝導性を
示すジルコニア（ＺｒＯ2）を用いた酸素センサを挙げ
ることができる。しかしながら、ＺｒＯ2酸素センサ
は、ＺｒＯ2磁器を金属電極で挟んだ構造を有し、測定
ガスが直接に金属電極に接するために、測定ガス中に酸
素と可燃ガスが共存すると、金属電極上で可燃ガスの燃
焼が起こって酸素濃度が減少する問題を生じる。つま
り、実際に測定ガスに含まれる酸素濃度よりも小さい濃
度の酸素濃度を検出してしまう問題があった。
【０００６】 このため、従来は、金属電極上で酸素が
消費された後の残留酸素濃度を測定した後、別途分析し
た可燃ガスの組成分析濃度を基に、可燃ガスの燃焼に必
要な酸素量を後から計算で補正して、測定ガス中に当初
から存在する酸素濃度を決定する手段がとられていた。
しかし、この方法では、迅速な測定が不可能であるばか
りでなく、測定手段の異なる測定結果を合わせることか
ら、測定精度の低下は否めない。
消費された後の残留酸素濃度を測定した後、別途分析し
た可燃ガスの組成分析濃度を基に、可燃ガスの燃焼に必
要な酸素量を後から計算で補正して、測定ガス中に当初
から存在する酸素濃度を決定する手段がとられていた。
しかし、この方法では、迅速な測定が不可能であるばか
りでなく、測定手段の異なる測定結果を合わせることか
ら、測定精度の低下は否めない。
【０００７】
【課題を解決するための手段】 本発明は上述した従来
技術の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的と
するところは、１の測定装置を用いて、微量酸素と微量
可燃ガスを含むガスの分析において、可燃ガスの燃焼に
よる酸素濃度の減少という影響を排除することにより、
迅速かつ正確に、微量酸素濃度の測定を可能ならしめる
微量酸素測定装置及び測定方法を提供することにある。
技術の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的と
するところは、１の測定装置を用いて、微量酸素と微量
可燃ガスを含むガスの分析において、可燃ガスの燃焼に
よる酸素濃度の減少という影響を排除することにより、
迅速かつ正確に、微量酸素濃度の測定を可能ならしめる
微量酸素測定装置及び測定方法を提供することにある。
【０００８】 即ち、本発明によれば、酸素イオン伝導
性固体電解質と金属電極を備えた酸素センサを、バイア
スセンサ及びメジャーセンサとして別々に用いてなる可
燃ガス対応微量酸素測定装置であって、当該バイアスセ
ンサにおいては、測定ガスを脱酸素カラムに通して得ら
れる脱酸素測定ガス中の可燃ガスを、酸素ポンプセルを
用いて供給される酸素によって燃焼させることにより、
当該測定ガス中の可燃ガス量を測定し、当該メジャーセ
ンサにおいては、当該バイアスセンサによって測定され
た可燃ガス量相当の酸素を当該測定ガスに酸素ポンプセ
ルを用いて別途汲み入れることにより、当該測定ガス中
の可燃ガスを燃焼させて、当該測定ガスに最初から含ま
れる酸素濃度を測定することを特徴とする可燃ガス対応
微量酸素測定装置、が提供される。
性固体電解質と金属電極を備えた酸素センサを、バイア
スセンサ及びメジャーセンサとして別々に用いてなる可
燃ガス対応微量酸素測定装置であって、当該バイアスセ
ンサにおいては、測定ガスを脱酸素カラムに通して得ら
れる脱酸素測定ガス中の可燃ガスを、酸素ポンプセルを
用いて供給される酸素によって燃焼させることにより、
当該測定ガス中の可燃ガス量を測定し、当該メジャーセ
ンサにおいては、当該バイアスセンサによって測定され
た可燃ガス量相当の酸素を当該測定ガスに酸素ポンプセ
ルを用いて別途汲み入れることにより、当該測定ガス中
の可燃ガスを燃焼させて、当該測定ガスに最初から含ま
れる酸素濃度を測定することを特徴とする可燃ガス対応
微量酸素測定装置、が提供される。
【０００９】 このような本発明の可燃ガス対応微量酸
素測定装置においては、測定ガスを分岐させて、一方の
測定ガスは、脱酸素カラムを通過した後に前記バイアス
センサに供給され、他方の測定ガスについては、脱酸素
カラムによる圧損と等しい圧損を与え分岐ガスの流量及
び到達時間遅れを揃えるダミーカラムを通過した後にメ
ジャーセンサに供給される構成をとることが好ましい。
但し、測定ガスが、メジャーセンサを通過した後に脱酸
素カラムを通過し、続いてバイアスセンサを通過するよ
うに構成して、前段のメジャーセンサでは、測定ガス中
の大部分の可燃ガスを燃焼させないで通過させ、脱酸素
カラムを経て得られる脱酸素測定ガスをバイアスセンサ
に供給することも可能である。
素測定装置においては、測定ガスを分岐させて、一方の
測定ガスは、脱酸素カラムを通過した後に前記バイアス
センサに供給され、他方の測定ガスについては、脱酸素
カラムによる圧損と等しい圧損を与え分岐ガスの流量及
び到達時間遅れを揃えるダミーカラムを通過した後にメ
ジャーセンサに供給される構成をとることが好ましい。
但し、測定ガスが、メジャーセンサを通過した後に脱酸
素カラムを通過し、続いてバイアスセンサを通過するよ
うに構成して、前段のメジャーセンサでは、測定ガス中
の大部分の可燃ガスを燃焼させないで通過させ、脱酸素
カラムを経て得られる脱酸素測定ガスをバイアスセンサ
に供給することも可能である。
【００１０】 また、本発明によれば、酸素イオン伝導
性固体電解質と金属電極を備えた酸素センサを用いてな
る可燃ガス対応微量酸素測定装置であって、測定ガスを
脱酸素カラムに通して得られる脱酸素測定ガスを当該酸
素センサに供給し、当該脱酸素測定ガス中の可燃ガス
を、酸素ポンプセルを用いて別途供給される酸素によっ
て燃焼させることにより、当該測定ガス中の可燃ガス量
を当該酸素センサにより測定した後、当該酸素センサに
当該測定ガスを供給して、先に当該脱酸素測定ガスを用
いて測定された可燃ガス量相当の酸素を、当該測定ガス
に酸素ポンプセルを用いて別途汲み入れることにより、
当該測定ガス中の可燃ガスを燃焼させて、当該測定ガス
に最初から含まれる酸素濃度を測定することを特徴とす
る可燃ガス対応微量酸素測定装置、が提供される。
性固体電解質と金属電極を備えた酸素センサを用いてな
る可燃ガス対応微量酸素測定装置であって、測定ガスを
脱酸素カラムに通して得られる脱酸素測定ガスを当該酸
素センサに供給し、当該脱酸素測定ガス中の可燃ガス
を、酸素ポンプセルを用いて別途供給される酸素によっ
て燃焼させることにより、当該測定ガス中の可燃ガス量
を当該酸素センサにより測定した後、当該酸素センサに
当該測定ガスを供給して、先に当該脱酸素測定ガスを用
いて測定された可燃ガス量相当の酸素を、当該測定ガス
に酸素ポンプセルを用いて別途汲み入れることにより、
当該測定ガス中の可燃ガスを燃焼させて、当該測定ガス
に最初から含まれる酸素濃度を測定することを特徴とす
る可燃ガス対応微量酸素測定装置、が提供される。
【００１１】 この可燃ガス対応微量酸素測定装置にお
いては、脱酸素測定ガスを供給する脱酸素ルートと、脱
酸素カラムによる圧損と等しい圧損を与え分岐ガスの流
量及び到達時間遅れを揃えるダミーカラムを通して測定
ガスを供給するダイレクトルートを切り替えることによ
り、いずれか一方のガスのみを酸素センサへ供給する構
成をとることができる。
いては、脱酸素測定ガスを供給する脱酸素ルートと、脱
酸素カラムによる圧損と等しい圧損を与え分岐ガスの流
量及び到達時間遅れを揃えるダミーカラムを通して測定
ガスを供給するダイレクトルートを切り替えることによ
り、いずれか一方のガスのみを酸素センサへ供給する構
成をとることができる。
【００１２】 上述した可燃ガス対応微量酸素測定装置
において用いられる酸素センサとしては、固体電解質に
よって隔離された第１空気ダクト、第２空気ダクト、及
び酸素制御室と検知室とからなる測定ガス供給ダクトを
有し、固体電解質を挟んで当該第１空気ダクトに形成さ
れた空気極と酸素制御室に形成されたポンプ極が酸素ポ
ンプセルを形成し、固体電解質を挟んで第２空気ダクト
に形成された基準極と検知室に形成された検知極の間の
起電力により測定ガス中の酸素濃度を測定する構造を有
するものが好適に用いられる。
において用いられる酸素センサとしては、固体電解質に
よって隔離された第１空気ダクト、第２空気ダクト、及
び酸素制御室と検知室とからなる測定ガス供給ダクトを
有し、固体電解質を挟んで当該第１空気ダクトに形成さ
れた空気極と酸素制御室に形成されたポンプ極が酸素ポ
ンプセルを形成し、固体電解質を挟んで第２空気ダクト
に形成された基準極と検知室に形成された検知極の間の
起電力により測定ガス中の酸素濃度を測定する構造を有
するものが好適に用いられる。
【００１３】 また、酸素センサとして、固体電解質に
よって隔離された第１空気ダクト、第２空気ダクト、酸
素制御室と検知室とからなる測定ガス供給ダクト、及び
密閉室を有し、固体電解質を挟んで第１空気ダクトに形
成された空気極と酸素制御室に形成されたポンプ極が酸
素ポンプセルを形成し、固体電解質を挟んで第２空気ダ
クトに形成された空気極と密閉室に形成されたポンプ極
が別の酸素ポンプセルを形成し、固体電解質を挟んで密
閉室に形成された基準極と検知室に形成された検知極の
間の起電力により測定ガス中の酸素濃度を測定する構造
を有するものも好適に用いられる。
よって隔離された第１空気ダクト、第２空気ダクト、酸
素制御室と検知室とからなる測定ガス供給ダクト、及び
密閉室を有し、固体電解質を挟んで第１空気ダクトに形
成された空気極と酸素制御室に形成されたポンプ極が酸
素ポンプセルを形成し、固体電解質を挟んで第２空気ダ
クトに形成された空気極と密閉室に形成されたポンプ極
が別の酸素ポンプセルを形成し、固体電解質を挟んで密
閉室に形成された基準極と検知室に形成された検知極の
間の起電力により測定ガス中の酸素濃度を測定する構造
を有するものも好適に用いられる。
【００１４】 このように密閉室が形成された酸素セン
サについては、更に、密閉室の酸素濃度（酸素分圧から
酸素量を求めて１気圧下の酸素濃度に換算した値をい
う。以下に記載する酸素濃度表現に同内容を含む。）
を、前記別の酸素ポンプセルを駆動することによって変
化させ、基準極と検知極の間の起電力の大きさを変える
ことが可能であるものが好適に用いられる。一方、第２
空気ダクトと測定ガス供給ダクトを同じガス環境下に置
いて、密閉室の酸素濃度を変化させたときの前記別の酸
素ポンプセルの駆動電圧と、基準極と検知極の間の起電
力の大きさを比較することにより、基準極と検知極の間
の起電力を校正することが可能であるものも、好適に用
いられる。
サについては、更に、密閉室の酸素濃度（酸素分圧から
酸素量を求めて１気圧下の酸素濃度に換算した値をい
う。以下に記載する酸素濃度表現に同内容を含む。）
を、前記別の酸素ポンプセルを駆動することによって変
化させ、基準極と検知極の間の起電力の大きさを変える
ことが可能であるものが好適に用いられる。一方、第２
空気ダクトと測定ガス供給ダクトを同じガス環境下に置
いて、密閉室の酸素濃度を変化させたときの前記別の酸
素ポンプセルの駆動電圧と、基準極と検知極の間の起電
力の大きさを比較することにより、基準極と検知極の間
の起電力を校正することが可能であるものも、好適に用
いられる。
【００１５】 更に、本発明によれば、上述した可燃ガ
ス対応微量酸素測定装置に適用される微量酸素の測定方
法として、微量酸素と微量可燃ガスを含む測定ガスにお
ける当該微量酸素濃度を、酸素イオン伝導性固体電解質
と金属電極を備えた酸素センサを用いて測定する方法で
あって、当該測定ガスを脱酸素カラムに通して得られる
脱酸素測定ガスが供給される酸素センサにおいて、当該
脱酸素測定ガス中の可燃ガスを燃焼させるために必要な
酸素を酸素ポンプセルを用いて別途供給するときの当該
酸素ポンプセルの駆動電流に相応する電流を、当該測定
ガスが供給される酸素センサの酸素ポンプセルに印加す
ることにより、当該測定ガスにおいて当該可燃ガスによ
って消費される酸素を補給し、当該測定ガス中の当初の
酸素濃度を測定することを特徴とする微量酸素の測定方
法、が提供される。
ス対応微量酸素測定装置に適用される微量酸素の測定方
法として、微量酸素と微量可燃ガスを含む測定ガスにお
ける当該微量酸素濃度を、酸素イオン伝導性固体電解質
と金属電極を備えた酸素センサを用いて測定する方法で
あって、当該測定ガスを脱酸素カラムに通して得られる
脱酸素測定ガスが供給される酸素センサにおいて、当該
脱酸素測定ガス中の可燃ガスを燃焼させるために必要な
酸素を酸素ポンプセルを用いて別途供給するときの当該
酸素ポンプセルの駆動電流に相応する電流を、当該測定
ガスが供給される酸素センサの酸素ポンプセルに印加す
ることにより、当該測定ガスにおいて当該可燃ガスによ
って消費される酸素を補給し、当該測定ガス中の当初の
酸素濃度を測定することを特徴とする微量酸素の測定方
法、が提供される。
【００１６】
【発明の実施の形態】 本発明の可燃ガス対応微量酸素
測定装置（以下、「測定装置」と略して記す。）は、酸
素イオン伝導性固体電解質と金属電極を備えた酸素セン
サを用いる。図１は本発明の測定装置に好適に用いられ
る酸素センサ１０の構造を示す断面図である。酸素セン
サ１０には、第１空気ダクト１２Ａ、第２空気ダクト１
２Ｂ及び検知室１３、酸素制御室１４からなる測定ガス
供給ダクト１９が形成されたジルコニア（ＺｒＯ2）磁
器１１が基体として用いられている。第１・第２空気ダ
クト１２Ａ・１２Ｂには空気が供給され、測定ガス供給
ダクト１９には測定ガスが供給されるが、検知室１３と
酸素制御室１４とでは、後述するように、酸素濃度等の
雰囲気は異なる。
測定装置（以下、「測定装置」と略して記す。）は、酸
素イオン伝導性固体電解質と金属電極を備えた酸素セン
サを用いる。図１は本発明の測定装置に好適に用いられ
る酸素センサ１０の構造を示す断面図である。酸素セン
サ１０には、第１空気ダクト１２Ａ、第２空気ダクト１
２Ｂ及び検知室１３、酸素制御室１４からなる測定ガス
供給ダクト１９が形成されたジルコニア（ＺｒＯ2）磁
器１１が基体として用いられている。第１・第２空気ダ
クト１２Ａ・１２Ｂには空気が供給され、測定ガス供給
ダクト１９には測定ガスが供給されるが、検知室１３と
酸素制御室１４とでは、後述するように、酸素濃度等の
雰囲気は異なる。
【００１７】 ＺｒＯ2磁器１１は固体電解質の役割を
果たすと共に、第１・第２空気ダクト１２Ａ・１２Ｂ並
びに測定ガス供給ダクト１９を隔離する隔壁の役割を果
たす。固体電解質の酸素イオン伝導率は高いことが好ま
しく、ＺｒＯ2においては、固溶させる元素の種類や量
によってイオン伝導率を変化させることができることか
ら、適宜、目的に適した組成のものを用いることが好ま
しい。
果たすと共に、第１・第２空気ダクト１２Ａ・１２Ｂ並
びに測定ガス供給ダクト１９を隔離する隔壁の役割を果
たす。固体電解質の酸素イオン伝導率は高いことが好ま
しく、ＺｒＯ2においては、固溶させる元素の種類や量
によってイオン伝導率を変化させることができることか
ら、適宜、目的に適した組成のものを用いることが好ま
しい。
【００１８】 具体的には、ＺｒＯ2磁器１１として
は、イットリア（Ｙ2Ｏ3）、マグネシア（ＭｇＯ）、カ
ルシア（ＣａＯ）、セリア（ＣｅＯ2）等の種々の安定
化材を固溶させてなる安定化ＺｒＯ2或いは部分安定化
ＺｒＯ2が好適に用いられる。なお、各電極間のＺｒＯ2
磁器の厚みを薄くすると、電極間の抵抗の低減が図られ
る。
は、イットリア（Ｙ2Ｏ3）、マグネシア（ＭｇＯ）、カ
ルシア（ＣａＯ）、セリア（ＣｅＯ2）等の種々の安定
化材を固溶させてなる安定化ＺｒＯ2或いは部分安定化
ＺｒＯ2が好適に用いられる。なお、各電極間のＺｒＯ2
磁器の厚みを薄くすると、電極間の抵抗の低減が図られ
る。
【００１９】 第１空気ダクト１２Ａに形成された空気
極１５と酸素制御室１４に形成されたポンプ極１６は、
一対となって酸素ポンプセルとして機能する。一方、検
知室１３に形成された検知極１７と第２空気ダクト１２
Ｂに形成された基準極１８は、一対となって検知室１３
における酸素濃度の測定に使用される。
極１５と酸素制御室１４に形成されたポンプ極１６は、
一対となって酸素ポンプセルとして機能する。一方、検
知室１３に形成された検知極１７と第２空気ダクト１２
Ｂに形成された基準極１８は、一対となって検知室１３
における酸素濃度の測定に使用される。
【００２０】 これらの各電極には、良好な電子伝導性
を有することが必要とされるが、高い酸素イオン触媒性
を有することも重要な特性である。例えば、空気極１５
における酸素イオン触媒性とは、空気中の酸素分子をイ
オン化して固体電解質へ取り込む性質をいい、一方、ポ
ンプ極１６における酸素イオン触媒性は、逆に、空気極
１５から固体電解質を移動してきた酸素イオンから電子
を奪い、酸素分子として酸素制御室１４へ放出する性質
をいう。
を有することが必要とされるが、高い酸素イオン触媒性
を有することも重要な特性である。例えば、空気極１５
における酸素イオン触媒性とは、空気中の酸素分子をイ
オン化して固体電解質へ取り込む性質をいい、一方、ポ
ンプ極１６における酸素イオン触媒性は、逆に、空気極
１５から固体電解質を移動してきた酸素イオンから電子
を奪い、酸素分子として酸素制御室１４へ放出する性質
をいう。
【００２１】 このような特性に優れる電極材として、
白金（Ｐｔ）が好適に用いられる。なお、これらの電極
は性状を多孔質として、気相と電極と固体電解質の３相
が接する三重点（三相界面）を多く形成することが好ま
しい。従って、ＰｔとＺｒＯ2とからなるサーメット電
極も、好適に用いることができる。
白金（Ｐｔ）が好適に用いられる。なお、これらの電極
は性状を多孔質として、気相と電極と固体電解質の３相
が接する三重点（三相界面）を多く形成することが好ま
しい。従って、ＰｔとＺｒＯ2とからなるサーメット電
極も、好適に用いることができる。
【００２２】 ＺｒＯ2磁器１１にはヒータ９が配設さ
れており、このヒータ９によって酸素センサ１１の温度
を上げて所定の温度に保持することにより、各電極間に
あるＺｒＯ2磁器のイオン伝導率が高められ、電極間の
抵抗が低減され、測定精度の向上が図られる。
れており、このヒータ９によって酸素センサ１１の温度
を上げて所定の温度に保持することにより、各電極間に
あるＺｒＯ2磁器のイオン伝導率が高められ、電極間の
抵抗が低減され、測定精度の向上が図られる。
【００２３】 次に、図３に、本発明の測定装置５０の
一構成形態を示す説明図を示す。バイアスセンサ５２及
びメジャーセンサ５１としては、それぞれ、前述した酸
素センサ１１が用いられている。つまり、バイアスセン
サ５２及びメジャーセンサ５１は酸素センサ１１そのも
のであるが、測定装置５０における機能を区別する上
で、異なる名称を用いるものとする。
一構成形態を示す説明図を示す。バイアスセンサ５２及
びメジャーセンサ５１としては、それぞれ、前述した酸
素センサ１１が用いられている。つまり、バイアスセン
サ５２及びメジャーセンサ５１は酸素センサ１１そのも
のであるが、測定装置５０における機能を区別する上
で、異なる名称を用いるものとする。
【００２４】 測定装置５０においては、測定ガスは２
つのルートに分岐される。ここでは、測定ガスは等量分
岐されることが好ましい。一方のルートには脱酸素剤を
充填した脱酸素カラム５５が配設され、測定ガス中の微
量酸素は、この脱酸素カラム５５によって１ｐｐｂ以下
レベルの濃度となるように除去され、酸素以外の微量可
燃ガスを残した測定ガス（以下、「脱酸素測定ガス」と
いう。）が、バイアスセンサ５２に供給される。
つのルートに分岐される。ここでは、測定ガスは等量分
岐されることが好ましい。一方のルートには脱酸素剤を
充填した脱酸素カラム５５が配設され、測定ガス中の微
量酸素は、この脱酸素カラム５５によって１ｐｐｂ以下
レベルの濃度となるように除去され、酸素以外の微量可
燃ガスを残した測定ガス（以下、「脱酸素測定ガス」と
いう。）が、バイアスセンサ５２に供給される。
【００２５】 前述したように、バイアスセンサ５２
は、酸素センサ１１と同じであるから、バイアスセンサ
５２においては、脱酸素測定ガス中の可燃ガスを酸素ポ
ンプセルを用いて供給される酸素によって燃焼させるこ
とができる。このとき酸素ポンプセルによって供給され
る酸素の量は、後に詳細に説明するが、検知極１７と基
準極１８間の起電力によって定めることができ、これに
より脱酸素測定ガス中の可燃ガスの量を知ることができ
る。
は、酸素センサ１１と同じであるから、バイアスセンサ
５２においては、脱酸素測定ガス中の可燃ガスを酸素ポ
ンプセルを用いて供給される酸素によって燃焼させるこ
とができる。このとき酸素ポンプセルによって供給され
る酸素の量は、後に詳細に説明するが、検知極１７と基
準極１８間の起電力によって定めることができ、これに
より脱酸素測定ガス中の可燃ガスの量を知ることができ
る。
【００２６】 脱酸素カラム５５による圧損によってバ
イアスセンサ５２に供給される脱酸素測定ガスの圧力が
低減されることから、メジャーセンサ５１が配設された
他方のルートには、圧損調整のためのダミーカラム５６
が配設されている。こうして、測定ガスを、組成変化す
ることなく所定の圧力で分岐ガス流量及び到達時間遅れ
を揃え、メジャーセンサ５１へ供給することができるよ
うになる。なお、ダミーカラム５６の代わりに、測定ガ
スを供給する配管径を小さくしたり、バルブを設けて圧
損を調整すること及びマスフローコントローラ、流量調
節計等による分岐ガスの流量制御も可能である。
イアスセンサ５２に供給される脱酸素測定ガスの圧力が
低減されることから、メジャーセンサ５１が配設された
他方のルートには、圧損調整のためのダミーカラム５６
が配設されている。こうして、測定ガスを、組成変化す
ることなく所定の圧力で分岐ガス流量及び到達時間遅れ
を揃え、メジャーセンサ５１へ供給することができるよ
うになる。なお、ダミーカラム５６の代わりに、測定ガ
スを供給する配管径を小さくしたり、バルブを設けて圧
損を調整すること及びマスフローコントローラ、流量調
節計等による分岐ガスの流量制御も可能である。
【００２７】 メジャーセンサ５１においては、バイア
スセンサ５２によって測定された可燃ガス量相当の酸素
（可燃ガスを完全に燃焼させるに過不足ない量の酸素を
示す。）を、酸素ポンプセルを用いて測定ガスに汲み入
れ、測定ガス中の可燃ガスを燃焼させる。この場合、測
定ガスに最初から含まれる酸素は、併存する可燃ガスの
燃焼に用いられて消費されることがない状態にあるもの
とみなすことができるため、測定ガスに最初から含まれ
る酸素濃度を、正確に測定することが可能となる。
スセンサ５２によって測定された可燃ガス量相当の酸素
（可燃ガスを完全に燃焼させるに過不足ない量の酸素を
示す。）を、酸素ポンプセルを用いて測定ガスに汲み入
れ、測定ガス中の可燃ガスを燃焼させる。この場合、測
定ガスに最初から含まれる酸素は、併存する可燃ガスの
燃焼に用いられて消費されることがない状態にあるもの
とみなすことができるため、測定ガスに最初から含まれ
る酸素濃度を、正確に測定することが可能となる。
【００２８】 上述した測定装置５０を用いた測定ガス
中の酸素濃度の測定方法を、図４を参照しながら更に詳
細に説明する。図４は、図３におけるメジャーセンサ５
１とバイアスセンサ５２との間の電気信号の授受等の形
態を示した説明図である。まず、バイアスセンサ５２に
おける検知極１７と基準極１８間の起電力ＶMについて
目標値を設定する。この目標値としては、例えば、酸素
濃度１ｐｐｂで生ずる４００ｍＶを目標値とすることが
できる。
中の酸素濃度の測定方法を、図４を参照しながら更に詳
細に説明する。図４は、図３におけるメジャーセンサ５
１とバイアスセンサ５２との間の電気信号の授受等の形
態を示した説明図である。まず、バイアスセンサ５２に
おける検知極１７と基準極１８間の起電力ＶMについて
目標値を設定する。この目標値としては、例えば、酸素
濃度１ｐｐｂで生ずる４００ｍＶを目標値とすることが
できる。
【００２９】 起電力ＶMが目標値以上である場合に
は、バイアス電流設定回路５から酸素ポンプセル（空気
極１５とポンプ極１６間）に、図４中の矢印Ｋ1で示さ
れる向きにポンプ電流ＩBを流して、空気極１５からポ
ンプ極１６へ酸素を供給し、酸素制御室１４内の可燃ガ
スを燃焼させて、起電力ＶMを下げるようにフィートバ
ック制御を行う。逆に、起電力ＶMが目標値以下の場合
には、可燃ガスの影響は殆どないとみなして、ポンプ電
流ＩBを流さないこととする。こうして、ポンプ電流ＩB
の大きさから、可燃ガスの燃焼に必要な酸素濃度が求め
られる。
は、バイアス電流設定回路５から酸素ポンプセル（空気
極１５とポンプ極１６間）に、図４中の矢印Ｋ1で示さ
れる向きにポンプ電流ＩBを流して、空気極１５からポ
ンプ極１６へ酸素を供給し、酸素制御室１４内の可燃ガ
スを燃焼させて、起電力ＶMを下げるようにフィートバ
ック制御を行う。逆に、起電力ＶMが目標値以下の場合
には、可燃ガスの影響は殆どないとみなして、ポンプ電
流ＩBを流さないこととする。こうして、ポンプ電流ＩB
の大きさから、可燃ガスの燃焼に必要な酸素濃度が求め
られる。
【００３０】 バイアスセンサ５２によって定められた
ポンプ電流ＩBの大きさを、メジャーセンサ５１とバイ
アスセンサ５２とのセンサ個体差を考慮して補正し、ポ
ンプ電流ＩAに変換する。このポンプ電流ＩAを、メジャ
ーセンサ５１において矢印Ｋ2の向きに酸素ポンプセル
（空気極１５とポンプ極１６間）に流し、酸素制御室１
４で可燃ガスを燃焼させる。そして、検知室１３で検知
極１７と基準極１８間の起電力Ｖを測定する。なお、図
４中の電圧Ｖ0は測定ガスと空気の圧力差、温度分布等
によって発生するオフセット電圧であり、このオフセッ
ト電圧Ｖ0が零となるように調節することが好ましい。
ポンプ電流ＩBの大きさを、メジャーセンサ５１とバイ
アスセンサ５２とのセンサ個体差を考慮して補正し、ポ
ンプ電流ＩAに変換する。このポンプ電流ＩAを、メジャ
ーセンサ５１において矢印Ｋ2の向きに酸素ポンプセル
（空気極１５とポンプ極１６間）に流し、酸素制御室１
４で可燃ガスを燃焼させる。そして、検知室１３で検知
極１７と基準極１８間の起電力Ｖを測定する。なお、図
４中の電圧Ｖ0は測定ガスと空気の圧力差、温度分布等
によって発生するオフセット電圧であり、このオフセッ
ト電圧Ｖ0が零となるように調節することが好ましい。
【００３１】 得られる起電力Ｖは、可燃ガスが燃焼し
た後になお測定ガス中に存在する酸素濃度に基づくも
の、つまり、最初から測定ガス中に含まれていた酸素濃
度に相当する酸素濃度に基づくものであるから、上述し
た測定方法を用いることにより、可燃ガスの影響を排除
しつつ、測定ガス中の酸素濃度をより正確に知ることが
できるようになる。なお、バイアスセンサ５２における
ポンプ電流Ｉ Bがゼロの場合には、ポンプ電流ＩAもゼロ
となるので、測定ガスを直接に検知極１７と基準極１８
間の電圧Ｖを測定し、測定ガス中の酸素濃度を求めるこ
とができる。
た後になお測定ガス中に存在する酸素濃度に基づくも
の、つまり、最初から測定ガス中に含まれていた酸素濃
度に相当する酸素濃度に基づくものであるから、上述し
た測定方法を用いることにより、可燃ガスの影響を排除
しつつ、測定ガス中の酸素濃度をより正確に知ることが
できるようになる。なお、バイアスセンサ５２における
ポンプ電流Ｉ Bがゼロの場合には、ポンプ電流ＩAもゼロ
となるので、測定ガスを直接に検知極１７と基準極１８
間の電圧Ｖを測定し、測定ガス中の酸素濃度を求めるこ
とができる。
【００３２】 さて、メジャーセンサ５１とバイアスセ
ンサ５２を用いた測定装置の形態は、測定装置５０の形
態に限定されるものではなく、図５に示す測定装置６０
の形態とすることも可能である。測定装置６０では、測
定ガスが、メジャーセンサ５１を通過した後に脱酸素カ
ラム５５を通過し、続いてバイアスセンサ５２を通過す
るように構成されている。
ンサ５２を用いた測定装置の形態は、測定装置５０の形
態に限定されるものではなく、図５に示す測定装置６０
の形態とすることも可能である。測定装置６０では、測
定ガスが、メジャーセンサ５１を通過した後に脱酸素カ
ラム５５を通過し、続いてバイアスセンサ５２を通過す
るように構成されている。
【００３３】 ここで、測定ガスは前段にあるメジャー
センサ５１において測定ガス中の可燃ガスの大部分を燃
焼させないように、メジャーセンサ５１とのガス接触を
低く保ちながらメジャーセンサ５１及び脱酸素カラム５
５を通過させ、バイアスセンサ５２に脱酸素測定ガスが
供給されるようにする。バイアスセンサ５２におけるポ
ンプ電流ＩBの大きさの決定方法は、測定装置５０の場
合と同様である。
センサ５１において測定ガス中の可燃ガスの大部分を燃
焼させないように、メジャーセンサ５１とのガス接触を
低く保ちながらメジャーセンサ５１及び脱酸素カラム５
５を通過させ、バイアスセンサ５２に脱酸素測定ガスが
供給されるようにする。バイアスセンサ５２におけるポ
ンプ電流ＩBの大きさの決定方法は、測定装置５０の場
合と同様である。
【００３４】 こうして定められたポンプ電流ＩBから
ポンプ電流ＩAを求め、メジャーセンサ５１において、
測定装置５０の場合と同様に起電力Ｖを測定する。こう
して、測定ガス中の酸素濃度を正確に測定することが可
能ととなる。
ポンプ電流ＩAを求め、メジャーセンサ５１において、
測定装置５０の場合と同様に起電力Ｖを測定する。こう
して、測定ガス中の酸素濃度を正確に測定することが可
能ととなる。
【００３５】 なお、測定装置５０では、メジャーセン
サ５１とバイアスセンサ５２にほぼ同じタイミングで供
給された測定ガスについて酸素濃度の測定を行うため
に、経時的に測定ガスの組成が変化するような場合であ
っても使用が可能であるが、測定装置６０では、メジャ
ーセンサ５１とバイアスセンサ５２に供給される測定ガ
スのタイミングがずれるために、経時的に組成が変化す
るような測定ガスは、測定対象としては不向きであり、
濃度一定の測定ガスについて好適に用いることができ
る。
サ５１とバイアスセンサ５２にほぼ同じタイミングで供
給された測定ガスについて酸素濃度の測定を行うため
に、経時的に測定ガスの組成が変化するような場合であ
っても使用が可能であるが、測定装置６０では、メジャ
ーセンサ５１とバイアスセンサ５２に供給される測定ガ
スのタイミングがずれるために、経時的に組成が変化す
るような測定ガスは、測定対象としては不向きであり、
濃度一定の測定ガスについて好適に用いることができ
る。
【００３６】 次に、メジャーセンサ５１とバイアスセ
ンサ５２を一本の酸素センサ１０を用いて構成した測定
装置７０について説明する。測定装置７０の構成は図６
に示すとおりであり、測定ガスは、脱酸素測定ガスが酸
素センサ１０へ供給されるように脱酸素カラム５５を配
した脱酸素ルート７１と、脱酸素カラム５５による圧損
と等しい圧損を与えるダミーカラム５６を通して測定ガ
スが酸素センサ１０へ供給されるダイレクトルート７２
のいずれか一方を通過した後、酸素センサ１０へ供給さ
れる。
ンサ５２を一本の酸素センサ１０を用いて構成した測定
装置７０について説明する。測定装置７０の構成は図６
に示すとおりであり、測定ガスは、脱酸素測定ガスが酸
素センサ１０へ供給されるように脱酸素カラム５５を配
した脱酸素ルート７１と、脱酸素カラム５５による圧損
と等しい圧損を与えるダミーカラム５６を通して測定ガ
スが酸素センサ１０へ供給されるダイレクトルート７２
のいずれか一方を通過した後、酸素センサ１０へ供給さ
れる。
【００３７】 測定装置７０の使用方法は前述した測定
装置６０に類似しており、まず、脱酸素ルート７１を通
して脱酸素測定ガスを酸素センサ１０へ供給し、酸素セ
ンサ１０をバイアスセンサとして用いてポンプ電流ＩB
の値を決定する。次に、ルートを切り替えて、ダイレク
トルート７２を通して測定ガスを酸素センサ１０へ供給
し、酸素センサ１０をメジャーセンサとして、ポンプ電
流ＩBをそのままポンプ電流ＩAとして流したときの起電
力Ｖを求め、測定ガスの酸素濃度を求める。
装置６０に類似しており、まず、脱酸素ルート７１を通
して脱酸素測定ガスを酸素センサ１０へ供給し、酸素セ
ンサ１０をバイアスセンサとして用いてポンプ電流ＩB
の値を決定する。次に、ルートを切り替えて、ダイレク
トルート７２を通して測定ガスを酸素センサ１０へ供給
し、酸素センサ１０をメジャーセンサとして、ポンプ電
流ＩBをそのままポンプ電流ＩAとして流したときの起電
力Ｖを求め、測定ガスの酸素濃度を求める。
【００３８】 従って、測定装置７０においては、測定
装置６０と同様に酸素センサ１０へ供給される測定ガス
にタイムラグが生ずるため、刻々と組成が変化するよう
な測定ガスについての酸素濃度の測定には適さない。な
お、測定装置７０では、１台の酸素センサ１０しか用い
ないためにセンサ間の個体差がなく、従って、ポンプ電
流ＩBの変更が必要なく制御性に優れる利点や、構成が
簡単であるといった利点がある。
装置６０と同様に酸素センサ１０へ供給される測定ガス
にタイムラグが生ずるため、刻々と組成が変化するよう
な測定ガスについての酸素濃度の測定には適さない。な
お、測定装置７０では、１台の酸素センサ１０しか用い
ないためにセンサ間の個体差がなく、従って、ポンプ電
流ＩBの変更が必要なく制御性に優れる利点や、構成が
簡単であるといった利点がある。
【００３９】 次に、上述した測定装置５０・６０・７
０に好適に用いることができる酸素センサの別の形態に
ついて、図２を参照しながら説明する。図２に示された
酸素センサ２０には、第１・第２空気ダクト１２Ａ・１
２Ｂ及び測定ガス供給ダクト１９（検知室１３、酸素制
御室１４）、密閉室２５が形成されたＺｒＯ2磁器１１
が、基体として用いられている。また、ＺｒＯ2磁器１
１にはヒータ９が埋設されている。酸素センサ１０と同
様に、第１・第２空気ダクト１２Ａ・１２Ｂには空気が
供給され、測定ガス供給ダクト１９（検知室１３、酸素
制御室１４）には測定ガスが供給される。密閉室２５は
後述するとおり、空気極２７とポンプ極２６を用いて種
々の酸素濃度に変えて使用される。
０に好適に用いることができる酸素センサの別の形態に
ついて、図２を参照しながら説明する。図２に示された
酸素センサ２０には、第１・第２空気ダクト１２Ａ・１
２Ｂ及び測定ガス供給ダクト１９（検知室１３、酸素制
御室１４）、密閉室２５が形成されたＺｒＯ2磁器１１
が、基体として用いられている。また、ＺｒＯ2磁器１
１にはヒータ９が埋設されている。酸素センサ１０と同
様に、第１・第２空気ダクト１２Ａ・１２Ｂには空気が
供給され、測定ガス供給ダクト１９（検知室１３、酸素
制御室１４）には測定ガスが供給される。密閉室２５は
後述するとおり、空気極２７とポンプ極２６を用いて種
々の酸素濃度に変えて使用される。
【００４０】 第１空気ダクト１２Ａに形成された空気
極１５と酸素制御室１４に形成されたポンプ極１６は、
一対となって酸素ポンプセルとして機能する。同様に、
第２空気ダクト１２Ｂに形成された空気極２７と密閉室
２５に形成されたポンプ極２６もまた一対となって酸素
ポンプセルを形成する。一方、検知室１３に形成された
検知極１７と密閉室２５に形成された基準極１８は、一
対となって検知室１３における酸素濃度の測定に使用さ
れる。
極１５と酸素制御室１４に形成されたポンプ極１６は、
一対となって酸素ポンプセルとして機能する。同様に、
第２空気ダクト１２Ｂに形成された空気極２７と密閉室
２５に形成されたポンプ極２６もまた一対となって酸素
ポンプセルを形成する。一方、検知室１３に形成された
検知極１７と密閉室２５に形成された基準極１８は、一
対となって検知室１３における酸素濃度の測定に使用さ
れる。
【００４１】 なお、酸素センサ２０は絶縁層２９を有
する。この絶縁層２９を形成することにより、空気極２
７とポンプ極２６、基準極１８と検知極１７で、それぞ
れ１組のセルを形成し、これら２組のセルをガス的には
基準極１８とポンプ極２６がつながった状態を作りなが
ら、固体電解質的には隔離してイオン伝導を絶縁させる
ことができ、それぞれのセルの干渉を少なくすることが
できるようになる。
する。この絶縁層２９を形成することにより、空気極２
７とポンプ極２６、基準極１８と検知極１７で、それぞ
れ１組のセルを形成し、これら２組のセルをガス的には
基準極１８とポンプ極２６がつながった状態を作りなが
ら、固体電解質的には隔離してイオン伝導を絶縁させる
ことができ、それぞれのセルの干渉を少なくすることが
できるようになる。
【００４２】 さて、酸素センサ２０において、ポンプ
極２６と空気極２７からなる酸素ポンプセルを外部信号
により動作させて、密閉室２５内の酸素濃度を極微量濃
度から１００％濃度まで変化させると、酸素濃度の広域
化或いは高精度化を図ることが可能となる。
極２６と空気極２７からなる酸素ポンプセルを外部信号
により動作させて、密閉室２５内の酸素濃度を極微量濃
度から１００％濃度まで変化させると、酸素濃度の広域
化或いは高精度化を図ることが可能となる。
【００４３】 図７に、酸素センサ２０の多レンジ化及
び高精度化の説明図を示す。前述した酸素センサ１０の
測定範囲は直線Ａで示され、基準極１８の酸素濃度は空
気の酸素濃度である２０．６％であり、この場合には、
例えば、検知極１７と基準極１８の間の起電力は、温度
が８００℃の場合には、ネルンストの式により、測定ガ
スの酸素濃度が１ｐｐｂの場合には４４２．６ｍＶ、２
ｐｐｂの場合には４２６．６ｍＶであり、その差は１６
ｍＶである。一方、密閉室２５の酸素濃度、即ち基準極
１８の酸素濃度を１ｐｐｍとすると、図７中の直線Ｂで
示されるように、検知極１７と基準極１８の間の起電力
は、ネルンストの式により、測定ガスの酸素濃度が１ｐ
ｐｂの場合には１５９．７ｍＶ、２ｐｐｂの場合には１
４３．７ｍＶであり、その差は１６ｍＶとなる。
び高精度化の説明図を示す。前述した酸素センサ１０の
測定範囲は直線Ａで示され、基準極１８の酸素濃度は空
気の酸素濃度である２０．６％であり、この場合には、
例えば、検知極１７と基準極１８の間の起電力は、温度
が８００℃の場合には、ネルンストの式により、測定ガ
スの酸素濃度が１ｐｐｂの場合には４４２．６ｍＶ、２
ｐｐｂの場合には４２６．６ｍＶであり、その差は１６
ｍＶである。一方、密閉室２５の酸素濃度、即ち基準極
１８の酸素濃度を１ｐｐｍとすると、図７中の直線Ｂで
示されるように、検知極１７と基準極１８の間の起電力
は、ネルンストの式により、測定ガスの酸素濃度が１ｐ
ｐｂの場合には１５９．７ｍＶ、２ｐｐｂの場合には１
４３．７ｍＶであり、その差は１６ｍＶとなる。
【００４４】 従って、酸素濃度１ｐｐｂ、２ｐｐｂの
２種類の測定ガスについて測定を行う場合には、基準ガ
スの酸素濃度が小さいほど検出電圧が小さく、基準ガス
の酸素濃度が大きいと検出電圧も大きくなるが、起電力
差は共に１６ｍＶで同じであるから、基準ガスの酸素濃
度が測定ガスの酸素濃度に近いほど、Ｓ／Ｎ比が向上
し、検出精度が高められることになる。
２種類の測定ガスについて測定を行う場合には、基準ガ
スの酸素濃度が小さいほど検出電圧が小さく、基準ガス
の酸素濃度が大きいと検出電圧も大きくなるが、起電力
差は共に１６ｍＶで同じであるから、基準ガスの酸素濃
度が測定ガスの酸素濃度に近いほど、Ｓ／Ｎ比が向上
し、検出精度が高められることになる。
【００４５】 つまり、密閉室２５内の酸素濃度が大き
いと測定レンジは広くなるが、このときに測定ガスとの
濃度差が大きいと、測定精度が低下する。一方、密閉室
２５内の酸素濃度を測定ガスの酸素濃度に近付けると、
測定レンジは狭くなるが測定精度を上げることができ
る。こうして、例えば、最初に密閉室２５内の酸素濃度
を大きくしておいて、測定ガス中の近似酸素濃度を測定
した後、その測定結果に応じて密閉室２５内の酸素濃度
を変化させ、精度を高めて再測定を行うといった使用方
法を用いることが可能となり、測定装置５０・６０・７
０に酸素センサ２０を適用することにより、より高精度
な測定を行うことができるようになる。
いと測定レンジは広くなるが、このときに測定ガスとの
濃度差が大きいと、測定精度が低下する。一方、密閉室
２５内の酸素濃度を測定ガスの酸素濃度に近付けると、
測定レンジは狭くなるが測定精度を上げることができ
る。こうして、例えば、最初に密閉室２５内の酸素濃度
を大きくしておいて、測定ガス中の近似酸素濃度を測定
した後、その測定結果に応じて密閉室２５内の酸素濃度
を変化させ、精度を高めて再測定を行うといった使用方
法を用いることが可能となり、測定装置５０・６０・７
０に酸素センサ２０を適用することにより、より高精度
な測定を行うことができるようになる。
【００４６】 上述した酸素センサ２０の多レンジ化、
高精度化の他に、酸素センサ２０を用いた場合には、校
正用の標準ガスを用いることなく、電極間の起電力校正
を容易に行うことも可能となる。つまり、酸素センサ２
０を大気中で動作させ、ポンプ極２６と空気極２７の間
にネルンスト式によって導かれる所定の酸素濃度相当の
電圧Ｅ0を印加し、このときの検知極１７と基準極１８
の間の起電力Ｖを測定する。なお、「酸素センサを大気
中で動作させ」とは、第２空気ダクト１２Ｂと検知室１
３が共に大気雰囲気にあるようにして酸素センサを動作
させることをいい、測定ガスの代わりに空気を検知室１
３に供給する場合も含まれる。
高精度化の他に、酸素センサ２０を用いた場合には、校
正用の標準ガスを用いることなく、電極間の起電力校正
を容易に行うことも可能となる。つまり、酸素センサ２
０を大気中で動作させ、ポンプ極２６と空気極２７の間
にネルンスト式によって導かれる所定の酸素濃度相当の
電圧Ｅ0を印加し、このときの検知極１７と基準極１８
の間の起電力Ｖを測定する。なお、「酸素センサを大気
中で動作させ」とは、第２空気ダクト１２Ｂと検知室１
３が共に大気雰囲気にあるようにして酸素センサを動作
させることをいい、測定ガスの代わりに空気を検知室１
３に供給する場合も含まれる。
【００４７】 ポンプ極２６と空気極２７、検知極１７
と基準極１８が、それぞれ接しているガス環境は酸素分
圧を含めて同じであるから、電極の形態や温度、電極間
の固体電解質の性状等が等しければ、電圧Ｅ0と起電力
Ｖは等しくなる筈である。逆に、電圧Ｅ0と起電力Ｖが
異なる場合には、ガス環境以外に、電圧差を生ずる原因
があることとなるので、そのような因子を除去するよう
に、検知極１７と基準極１８の起電力特性を校正するこ
とが可能となる。
と基準極１８が、それぞれ接しているガス環境は酸素分
圧を含めて同じであるから、電極の形態や温度、電極間
の固体電解質の性状等が等しければ、電圧Ｅ0と起電力
Ｖは等しくなる筈である。逆に、電圧Ｅ0と起電力Ｖが
異なる場合には、ガス環境以外に、電圧差を生ずる原因
があることとなるので、そのような因子を除去するよう
に、検知極１７と基準極１８の起電力特性を校正するこ
とが可能となる。
【００４８】 こうして、標準ガスを用いることなく、
容易に酸素センサの電極特性を校正することが可能とな
り、取り扱い、メンテナンスが容易となる他、測定装置
５０・６０・７０に適用した場合にあっても、校正によ
る正確な測定が可能となることから、測定精度の向上も
図られる。
容易に酸素センサの電極特性を校正することが可能とな
り、取り扱い、メンテナンスが容易となる他、測定装置
５０・６０・７０に適用した場合にあっても、校正によ
る正確な測定が可能となることから、測定精度の向上も
図られる。
【００４９】 ところで、前述した酸素センサ１０・２
０においては、ヒータ９は第２空気ダクト１２Ｂ側のみ
にあることから、酸素センサ１０・２０全体の温度分布
のむらや、測定ガスや空気の温度に差が生じ、オフセッ
ト電圧が大きくなり易いという問題がある。そこで、図
８の酸素センサ３０・４０に示すように、第１空気ダク
ト１２Ａ側にも、別のヒータ８を設けることにより、セ
ンサ温度の均一化を図り、オフセット電圧の低減を図る
ことができるようになる。
０においては、ヒータ９は第２空気ダクト１２Ｂ側のみ
にあることから、酸素センサ１０・２０全体の温度分布
のむらや、測定ガスや空気の温度に差が生じ、オフセッ
ト電圧が大きくなり易いという問題がある。そこで、図
８の酸素センサ３０・４０に示すように、第１空気ダク
ト１２Ａ側にも、別のヒータ８を設けることにより、セ
ンサ温度の均一化を図り、オフセット電圧の低減を図る
ことができるようになる。
【００５０】
【発明の効果】 上述した通り、本発明の可燃ガス対応
微量酸素測定装置及び測定方法によれば、コンパクト化
が容易であり、メンテナンス性や寿命特性に優れたＺｒ
Ｏ2酸素センサを用いた簡単な構成の装置を用いている
ことから、操作性がよく、しかも可燃ガスの影響を排除
した正確な微量酸素濃度の測定を、従来のように別々の
センサを用いることなく、迅速に行うことができるよう
になる等の優れた効果を奏する。また、ＺｒＯ2酸素セ
ンサの構造を種々に変えることも可能であり、多レンジ
化、高精度化を図ることが容易であり、また、電極間の
起電力校正も容易であることから、適用用途が広いとい
った利点を有する。
微量酸素測定装置及び測定方法によれば、コンパクト化
が容易であり、メンテナンス性や寿命特性に優れたＺｒ
Ｏ2酸素センサを用いた簡単な構成の装置を用いている
ことから、操作性がよく、しかも可燃ガスの影響を排除
した正確な微量酸素濃度の測定を、従来のように別々の
センサを用いることなく、迅速に行うことができるよう
になる等の優れた効果を奏する。また、ＺｒＯ2酸素セ
ンサの構造を種々に変えることも可能であり、多レンジ
化、高精度化を図ることが容易であり、また、電極間の
起電力校正も容易であることから、適用用途が広いとい
った利点を有する。
【図１】 本発明の可燃ガス対応微量酸素測定装置に好
適に用いられるＺｒＯ2酸素センサの一実施形態を示す
断面図である。
適に用いられるＺｒＯ2酸素センサの一実施形態を示す
断面図である。
【図２】 本発明の可燃ガス対応微量酸素測定装置に好
適に用いられるＺｒＯ2酸素センサの別の実施形態を示
す断面図である。
適に用いられるＺｒＯ2酸素センサの別の実施形態を示
す断面図である。
【図３】 本発明の可燃ガス対応微量酸素測定装置の構
成の一実施形態を示す説明図である。
成の一実施形態を示す説明図である。
【図４】 本発明の可燃ガス対応微量酸素測定装置によ
る測定ガス中の酸素濃度の測定方法を示す説明図であ
る。
る測定ガス中の酸素濃度の測定方法を示す説明図であ
る。
【図５】 本発明の可燃ガス対応微量酸素測定装置の構
成の別の実施形態を示す説明図である。
成の別の実施形態を示す説明図である。
【図６】 本発明の可燃ガス対応微量酸素測定装置の構
成の更に別の実施形態を示す説明図である。
成の更に別の実施形態を示す説明図である。
【図７】 図２記載の酸素センサを用いた場合の多レン
ジ化及び高精度化の説明図である。
ジ化及び高精度化の説明図である。
【図８】 本発明の可燃ガス対応微量酸素測定装置に好
適に用いられるＺｒＯ2酸素センサの更に別の実施形態
を示す断面図である。
適に用いられるＺｒＯ2酸素センサの更に別の実施形態
を示す断面図である。
５…バイアス電流設定回路、８…ヒータ、９…ヒータ、
１０…ＺｒＯ2酸素センサ、１１…ＺｒＯ2磁器、１２Ａ
…第１空気ダクト、１２…第２空気ダクト、１３…検知
室、１４…酸素（Ｏ2）制御室、１５…空気極、１６…
ポンプ極、１７…検知極、１８…基準極、１９…測定ガ
ス供給ダクト、２０…ＺｒＯ2酸素センサ、２５…密閉
室、２６…ポンプ極、２７…空気極、２９…絶縁層、３
０…ＺｒＯ2酸素センサ、４０…ＺｒＯ2酸素センサ、５
０…測定装置、５１…メジャーセンサ、５２…バイアス
センサ、５５…脱酸素カラム、５６…ダミーカラム、６
０…測定装置、７０…測定装置、７１…脱酸素ルート、
７２…ダイレクトルート。
１０…ＺｒＯ2酸素センサ、１１…ＺｒＯ2磁器、１２Ａ
…第１空気ダクト、１２…第２空気ダクト、１３…検知
室、１４…酸素（Ｏ2）制御室、１５…空気極、１６…
ポンプ極、１７…検知極、１８…基準極、１９…測定ガ
ス供給ダクト、２０…ＺｒＯ2酸素センサ、２５…密閉
室、２６…ポンプ極、２７…空気極、２９…絶縁層、３
０…ＺｒＯ2酸素センサ、４０…ＺｒＯ2酸素センサ、５
０…測定装置、５１…メジャーセンサ、５２…バイアス
センサ、５５…脱酸素カラム、５６…ダミーカラム、６
０…測定装置、７０…測定装置、７１…脱酸素ルート、
７２…ダイレクトルート。
Claims (10)
- 【請求項１】 酸素イオン伝導性固体電解質と金属電極
を備えた酸素センサを、バイアスセンサ及びメジャーセ
ンサとして別々に用いてなる可燃ガス対応微量酸素測定
装置であって、 当該バイアスセンサにおいては、測定ガスを脱酸素カラ
ムに通して得られる脱酸素測定ガス中の可燃ガスを、酸
素ポンプセルを用いて供給される酸素によって燃焼させ
ることにより、当該測定ガス中の可燃ガス量を測定し、 当該メジャーセンサにおいては、当該バイアスセンサに
よって測定された可燃ガス量相当の酸素を当該測定ガス
に酸素ポンプセルを用いて別途汲み入れることにより、
当該測定ガス中の可燃ガスを燃焼させて、当該測定ガス
に最初から含まれる酸素濃度を測定することを特徴とす
る可燃ガス対応微量酸素測定装置。 - 【請求項２】 前記測定ガスを分岐させて、 一方の測定ガスは、前記脱酸素カラムを通過した後に前
記バイアスセンサに供給され、 他方の測定ガスは、前記脱酸素カラムによる圧損と等し
い圧損を与えるダミーカラムを通過した後に前記メジャ
ーセンサに供給される構成としたことを特徴とする請求
項１記載の可燃ガス対応微量酸素測定装置。 - 【請求項３】 前記測定ガスが、前記メジャーセンサを
通過した後に前記脱酸素カラムを通過し、続いて前記バ
イアスセンサを通過するように構成し、 当該メジャーセンサにおいてセンサに取込まれる一部の
ガスを除く大部分の測定ガスを燃焼することなく通過さ
せ、当該脱酸素カラムを経て得られる脱酸素測定ガスを
当該バイアスセンサに供給することを特徴とする請求項
１記載の可燃ガス対応微量酸素測定装置。 - 【請求項４】 酸素イオン伝導性固体電解質と金属電極
を備えた酸素センサを用いてなる可燃ガス対応微量酸素
測定装置であって、 測定ガスを脱酸素カラムに通して得られる脱酸素測定ガ
スを当該酸素センサに供給し、当該脱酸素測定ガス中の
可燃ガスを、酸素ポンプセルを用いて別途供給される酸
素によって燃焼させることにより、当該測定ガス中の可
燃ガス量を当該酸素センサにより測定した後、 当該酸素センサに当該測定ガスを供給して、先に当該脱
酸素測定ガスを用いて測定された可燃ガス量相当の酸素
を、当該測定ガスに酸素ポンプセルを用いて別途汲み入
れることにより、当該測定ガス中の可燃ガスを燃焼させ
て、当該測定ガスに最初から含まれる酸素濃度を測定す
ることを特徴とする可燃ガス対応微量酸素測定装置。 - 【請求項５】 前記脱酸素測定ガスを供給する脱酸素ル
ートと、当該脱酸素カラムによる圧損と等しい圧損を与
えるダミーカラムを通して前記測定ガスを供給するダイ
レクトルートを切り替えることにより、いずれか一方の
ガスのみを前記酸素センサへ供給する構成を有すること
を特徴とする請求項４記載の可燃ガス対応微量酸素測定
装置。 - 【請求項６】 前記酸素センサが、固体電解質によって
隔離された第１空気ダクト、第２空気ダクト、及び酸素
制御室と検知室とからなる測定ガス供給ダクトを有し、 当該固体電解質を挟んで当該第１空気ダクトに形成され
た空気極と当該酸素制御室に形成されたポンプ極が酸素
ポンプセルを形成し、 当該固体電解質を挟んで当該第２空気ダクトに形成され
た基準極と当該検知室に形成された検知極の間の起電力
により測定ガス中の酸素濃度を測定する構造を有するも
のであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項
に記載の可燃ガス対応微量酸素測定装置。 - 【請求項７】 前記酸素センサが、 固体電解質によって隔離された第１空気ダクト、第２空
気ダクト、酸素制御室と検知室とからなる測定ガス供給
ダクト、及び密閉室を有し、 当該固体電解質を挟んで当該第１空気ダクトに形成され
た空気極と当該酸素制御室に形成されたポンプ極が酸素
ポンプセルを形成し、 当該固体電解質を挟んで当該第２空気ダクトに形成され
た空気極と当該密閉室に形成されたポンプ極が別の酸素
ポンプセルを形成し、 当該固体電解質を挟んで当該密閉室に形成された基準極
と当該検知室に形成された検知極の間の起電力により測
定ガス中の酸素濃度を測定する構造を有するものである
ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の
可燃ガス対応微量酸素測定装置。 - 【請求項８】 前記酸素センサが、 前記密閉室の酸素濃度を、前記別の酸素ポンプセルを駆
動することによって変化させ、前記基準極と前記検知極
の間の起電力の大きさを変えることが可能なものである
ことを特徴とする請求項７記載の可燃ガス対応微量酸素
測定装置。 - 【請求項９】 前記酸素センサが、 前記第２空気ダクトと前記測定ガス供給ダクトを同じガ
ス環境下に置いて、前記密閉室の酸素濃度を変化させた
ときの前記別の酸素ポンプセルの駆動電圧と、 前記基準極と前記検知極の間の起電力の大きさを比較す
ることにより、当該基準極と当該検知極の間の起電力を
校正することが可能であるものであることを特徴とする
請求項７又は８記載の可燃ガス対応微量酸素測定装置。 - 【請求項１０】 微量酸素と微量可燃ガスを含む測定ガ
スにおける当該微量酸素濃度を、酸素イオン伝導性固体
電解質と金属電極を備えた酸素センサを用いて測定する
方法であって、 当該測定ガスを脱酸素カラムに通して得られる脱酸素測
定ガスが供給される酸素センサにおいて、当該脱酸素測
定ガス中の可燃ガスを燃焼させるために必要な酸素を酸
素ポンプセルを用いて別途供給するときの当該酸素ポン
プセルの駆動電流に相応する電流を、当該測定ガスが供
給される酸素センサの酸素ポンプセルに印加することに
より、当該測定ガスにおいて当該可燃ガスによって消費
される酸素を補給し、当該測定ガス中の当初の酸素濃度
を測定することを特徴とする微量酸素の測定方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP29206899A JP2001108651A (ja) | 1999-10-14 | 1999-10-14 | 可燃ガス対応微量酸素測定装置及び測定方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP29206899A JP2001108651A (ja) | 1999-10-14 | 1999-10-14 | 可燃ガス対応微量酸素測定装置及び測定方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001108651A true JP2001108651A (ja) | 2001-04-20 |
Family
ID=17777129
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP29206899A Pending JP2001108651A (ja) | 1999-10-14 | 1999-10-14 | 可燃ガス対応微量酸素測定装置及び測定方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2001108651A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007502976A (ja) * | 2003-08-19 | 2007-02-15 | ザ ビーオーシー グループ ピーエルシー | 電気化学センサ |
| JP2014518398A (ja) * | 2011-07-13 | 2014-07-28 | コーニンクレッカ フィリップス エヌ ヴェ | ガス検知器 |
| JP2016148551A (ja) * | 2015-02-10 | 2016-08-18 | エナジーサポート株式会社 | 酸素濃度測定装置及び酸素濃度測定方法 |
-
1999
- 1999-10-14 JP JP29206899A patent/JP2001108651A/ja active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007502976A (ja) * | 2003-08-19 | 2007-02-15 | ザ ビーオーシー グループ ピーエルシー | 電気化学センサ |
| JP2014518398A (ja) * | 2011-07-13 | 2014-07-28 | コーニンクレッカ フィリップス エヌ ヴェ | ガス検知器 |
| JP2016148551A (ja) * | 2015-02-10 | 2016-08-18 | エナジーサポート株式会社 | 酸素濃度測定装置及び酸素濃度測定方法 |
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