JP2001165900A - ガスセンサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ガス絶縁電気機器内に発生するＨＦ等の分解
ガスを検出するガスセンサにおいて、漏れ電流によるノ
イズ成分を除去して高感度化をはかる。 【解決手段】 ふっ化物固体電解質を用いたガスセンサ
において、固体電解質３のガス検出電極２と同一面上に
被検出ガスと接触しない構造とした予備電極２１を設
け、ガス検出電極２の電流値を予備電極２１の電流値を
それぞれ電流検出器６０，６１で検出した後に、演算部
９においてガス検出電流値を予備電流値で補正するよう
にしたものである。

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、微量ガス成分を
検出するガスセンサに関するもので、とりわけ、ガス絶
縁電気機器内部で放電等の異常が有ったときに生成され
るＳＦ₆等の分解ガスを検出するガスセンサに関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】固体式ガスセンサでは、ガスの存在に応
じてガス感知部で何らかの物理的、化学的反応を起こ
し、それを電気的な信号へと変換を行う。図５は例え
ば、特開平６−２５８２７８号公報に記載された従来の
ガスセンサを示したものである。図５において、２はガ
ス検出電極、３は固体電解質、４は対向電極、５は電
源、６は電流検出器、７はガス検出電極２と対向電極４
間に電源５と電流検出器６とを直列接続するリード、１
１は被検出ガスをガス検出電極２に通す複数の通気孔１
１ａを有する拡散部材である。

【０００３】上記のように構成されたガスセンサにおい
ては、固体電解質３の各対向面にそれぞれ設けたガス検
出電極２と対向電極４に電源５によって電圧が印加され
る。この時、拡散部材１１の通気孔１１ａを通して被検
出ガスがガス検出電極２に接触すると、ガス検出電極２
上で電気化学反応が生じてその結果、被検出ガスの濃度
に応じた電流がリード７から構成される電流検出回路に
流れ、電流検出器６によりセンサ信号として検出され
る。

【０００４】被検出ガスがフッ素Ｆ₂であると、被検出
ガスは拡散部材１１の複数の通気孔１１ａを通ってガス
検出電極２上へ移動する。ここで、ガス検出電極２と対
向電極４間に予め５Ｖ程度の直流電圧が、ガス検出電極
２側が負、対向電極４側が正になるように印加されてい
る。ガス検出電極２上でＦ₂には次のような反応が起き
る。

【０００５】Ｆ₂＋２ｅ^- →２Ｆ^-

【０００６】以上の反応により生じたイオン化したＳＦ
₆ガス（ＳＦ₆ ^-）は固定電解質３中を対向電極４へ向か
って移動する。対向電極４上では、以下の反応が起きて
両電極２，４に電流が流れる。

【０００７】２Ｆ^- →Ｆ₂＋２ｅ^-

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】以上に示した従来のガ
スセンサにおいては、被検出ガスの濃度に応じた電流が
流れるので、原理的には被検出ガスの濃度が０の場合に
は電流値も０となる。ところが被検出ガスの無い雰囲気
にあっても、固体電解質に各電極を通して電圧を印加す
ると微少な電流が流れる。

【０００９】この電流は被検出ガスの電気化学反応に無
関係な電流であり、主に電子電導による漏れ電流成分で
ある。被検出ガスによる電気化学反応の電流が漏れ電流
に比較して十分に大きい場合には何ら問題は無いが、よ
り微少なガス濃度にも応答するようにセンサ感度の向上
を図る場合、漏れ電流がノイズ成分となってＳ／Ｎ比が
低下し、センサ信号の精度が著しく悪化することによ
り、結果的にはガス検出の高感度化が実現できないとい
う問題点があった。

【００１０】この発明は、上記のような問題点を解消す
るためなされたもので、漏れ電流によるノイズ成分を除
去しＳ／Ｎ比を向上させることでガス検出の高感度化を
図ることができるガスセンサを得ることを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】この発明は、ガス絶縁電
気機器の内部で異常放電時に発生する分解ガスを被検出
ガスとするガスセンサであって、固体電解質と、この固
体電解質の一方の面に被着させて設け、被検出ガスと接
するガス検出電極と、固体電解質の他方の面に被着させ
て設けた対向電極と、固体電解質の一方の面にガス検出
電極と分離して被着させ、且つ、被検出ガスの前記固体
電解質への拡散を阻止するように形成された予備電極と
を備えたものである。また、この発明における予備電極
は、その表面に前記被検出ガスと接触しないようにカバ
ーを設けたものである。また、この発明における予備電
極は、ガス検出電極と同一の素材とし、その膜厚を厚く
したものである。また、この発明は、対向電極と前記ガ
ス検出電極間および前記予備電極間のそれぞれに電圧を
印加する電源回路と、電圧印加により対向電極とガス検
出電極間および対向電極と予備電極間に流れる電流をそ
れぞれ測定する第１の電流測定手段と、第２の電流測定
手段とを備えたものである。また、この発明はガス検出
電極と対向電極、及び予備電極と対向電極との間にそれ
ぞぞれ個別に電源回路と共に電流測定手段とを備えたも
のである。また、この発明は第１の電流測定手段による
電流測定値を前記第２の電流測定手段による電流測定値
で補正してセンサ信号出力値を演算する演算手段を備え
たものである。

【００１２】

【発明の実施の形態】実施の形態１．図１はこの発明の
実施の形態１に係るガスセンサの構成を示す断面図で、
３は、例えば、ふっ化ランタン（ＬａＦ₃）等のふっ化
物固体電解質、２は固体電解質３の一方の面に密着して
設けられたＡｕ等の金属からなるガス透過性のガス検出
電極、４は固体電解質３のもう一方の面にガス検出電極
２と対向するように密着して設けられ、同じくＡｕ等の
金属からなる対向電極であり、２１はガス検出電極２と
同一面上に設けられ、同じくＡｕ等の金属からなる予備
電極、２２は被検出ガスが予備電極２１に接触しないよ
うに予備電極２１の上に設けられた予備電極カバーであ
る。ガス検出電極２と対向電極４間にはリード７０によ
り電流検出器６０と電源５０とが直列接続され、そして
予備電極２１と対向電極４間にはリード７１により電流
検出器６１と電源５１が直列接続されている。

【００１３】ガス検出電極２、対向電極４、予備電極２
１は例えば蒸着等により固体電解質３の対向面に形成さ
れる。予備電極カバー２２は予備電極２１に被検出ガス
が接触しないようにする必要があるため、被検出ガスを
透過しない性質を有する必要がある。従って、カバーと
して、例えばアルミナセラミックスや金属の薄板を予備
電極２１上に重ねる構造や、またはエポキシ等の樹脂材
料で予備電極２１をモールドする構造が良い。

【００１４】以上のような構成において、ガス検出電極
２に流れる電流は、被検出ガスの電気化学反応により流
れる電流に、被検出ガスの電気化学反応に無関係な電子
電導等による漏れ電流を加えたものとなり、特に被検出
ガスの濃度が低く、被検出ガスの電気化学反応による電
流が小さい場合には、漏れ電流によるノイズ成分のため
にＳ／Ｎ比が低下し、被検出ガスによる電流値を正確に
求める事ができない。

【００１５】しかし、予備電極２１においては、予備電
極カバー２２によって被検出ガスが遮られるため、被検
出ガスの濃度に関係なく電気化学反応による電流は流れ
ず、常に漏れ電流のみがガス検出電極２１と対向電極流
４間に流れることとなる。従ってガス検出電極２に流れ
る電流を電流検出器６０で計測した結果を、予備電極２
１に流れる電流を電流検出器６１で計測した結果で補正
することにより、ガス検出電極２に流れる電流から漏れ
電流の影響を排除し、被検出ガスの電気化学反応による
電流のみを求める事ができるためＳ／Ｎ比が向上し被検
出ガスが低濃度の場合でも正確な測定が可能となる。

【００１６】なお、漏れ電流値が一定であれば、予め求
めておいた漏れ電流値を被検出ガスより排除して電流値
を正確に求めることは可能となるが、漏れ電流はセンサ
素子間でまたは経時的に一定でないため、予備電極２１
による測定以外に漏れ電流を正確に知る事ができない。

【００１７】図３はガス検出電極２と予備電極２１の電
流からセンサの最終的な補正出力を得るシステムを示す
構成図である。８０、８１は電流検出器６０、６１から
の電流値データを演算部９に送信する信号線であり、演
算部９ではガス検出電極２の電流値を予備電極２１の電
流値によって補正演算し、その結果を結果表示部１０に
表示する。

【００１８】図４はこの発明の実施の形態１に係るガス
センサによる、ＨＦガスに対する応答特性の一例を示す
図である。図４の（ａ）はＨＦガスの濃度、０ｐｐｍ、
１ｐｐｍ、２ｐｐｍ、３ｐｐｍに対して、ガス検出電極
２と対向電極４間、予備電極２１と対向電極４間のそれ
ぞれに流れる電流を示したものである。一方、図４の
（ｂ）は図４の（ａ）に示されたガス検出電極電流から
予備電極電流を減算して補正演算を行った結果を示す図
である。

【００１９】図４の（ａ）に示すガス検出電極２には、
ＨＦガスが０ｐｐｍすなわち被検出ガスが存在しない場
合にも若干、電流が流れており、この電流が漏れ電流で
ある。この漏れ電流のために例えば１ｐｐｍのＨＦに対
する電流値にもバイアスがかかりガス検出電極電流値は
不正確になる。しかし、図４の（ｂ）に示す演算結果、
即ち、ガス検出電極電流は、予備電極２１に流れる予備
電極電流値により補正されているため、ガス検出電極電
流にはバイアスがからず高いＳ／Ｎ比が得られている。

【００２０】実施の形態２．図２はこの発明の実施の形
態２に係るガスセンサの断面図である。尚、図中、図１
と同一符号は同一または相当部分を示す。図２におい
て、２１０は実施の形態１で示した予備電極２１を厚く
することによって固体電解質３に対する被検出ガスを完
全に遮断できる構造にし、カバー２２を不要にした予備
電極であり、被検出ガスが接しても電気化学反応を生じ
ないようにしたものである。この実施の形態において
も、実施の形態１と同様にセンサのＳ／Ｎ比を向上する
ことが可能となる。即ち、通常の薄膜によるガス検出電
極であると、被検出ガスはガス検出電極２の全面を容易
に拡散して固体電解質３に達し、ガス検出電極２と固体
電解質３との界面で電気化学反応を生じる。そして、被
検出ガスはイオン化して対向電極４に向かって移動し、
固体電解質３と対向電極４の界面で反応して両電極に電
流が流れる。

【００２１】ガス検出電極２を、図２に示すように厚膜
にして予備電極２１０に形成すると、予備電極２１０の
近傍にある被検出ガスは、予備電極２１０を拡散して固
体電解質３に達し得ず、ガス検出電極２と固体電解質３
との界面で電気化学反応が生じない。この結果、被検出
ガスはイオン化しないため、両電極２１０、４には被検
出ガスの濃度に関係なく電気化学反応による電流は流れ
ず、常に、電子電導による漏れ電流が流れる。この漏れ
電流成分を電流計測器６１により計測し、この計測され
た漏れ電流成分でガス検出電極４による電流出力を補正
することでセンサ出力のＳ／Ｎ比を向上させることがで
きる。

【００２２】

【発明の効果】この発明は、ガス絶縁電気機器の内部で
異常放電時に発生する分解ガスを被検出ガスとするガス
センサであって、固体電解質と、この固体電解質の一方
の面に被着させて設け、被検出ガスと接するガス検出電
極と、固体電解質の他方の面に被着させて設けた対向電
極と、固体電解質の一方の面にガス検出電極と分離して
被着させ、且つ、被検出ガスの前記固体電解質への拡散
を阻止するように形成された予備電極と、ガス検出電極
と対向電極、及び予備電極と対向電極との間にそれぞぞ
れ個別に電源回路と共に設けた第１のおよび第２の電流
測定手段と、第１の電流測定手段による電流測定値を前
記第２の電流測定手段による電流測定値で補正してセン
サ信号出力値を演算する演算手段とを備えたので、特に
被検出ガスが低濃度である領域においてＳ／Ｎが向上
し、ひいてはセンサ感度が向上するという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の実施の形態１に係るガスセンサを
示す断面図である。

【図２】 この発明の実施の形態２に係るガスセンサを
示す断面図である。

【図３】 この発明の実施の形態１に係るガスセンサを
使用したシステムの構成図である。

【図４】 この発明によるガスセンサの特性図である。

【図５】 従来の発明のガスセンサを示す断面図であ
る。

【符号の説明】

２ ガス検出電極、３ 固体電解質、４ 対向電極、２
１ 予備電極、２２予備電極カバー、５０、５１ 電
源、６０、６１ 電流検出器、９ 演算部。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ガス絶縁電気機器の内部で異常放電時に
   発生する分解ガスを被検出ガスとするガスセンサであっ
   て、 固体電解質と、 この固体電解質の一方の面に被着させて設け、前記被検
   出ガスと接するガス検出電極と、 上記固体電解質の他方の面に前記ガス検出電極と対向す
   るように被着させて設けた対向電極と、 前記固体電解質の一方の面に前記ガス検出電極と分離し
   て被着させ、且つ、前記被検出ガスの前記固体電解質へ
   の拡散を阻止するように形成された予備電極とを備えた
   ことを特徴とするガスセンサ。
2. 【請求項２】 前記予備電極は、その表面に前記被検出
   ガスと接触しないようにカバーを設けたことを特徴とす
   る請求項１に記載のガスセンサ。
3. 【請求項３】 前記予備電極は、前記ガス検出電極と同
   一の素材とし、その膜厚を前記ガス検出電極に対して厚
   くしたことを特徴とする請求項１に記載のガスセンサ。
4. 【請求項４】 前記対向電極と前記ガス検出電極間およ
   び前記予備電極間のそれぞれに電圧を印加する電源回路
   と、この電圧印加により前記対向電極と前記ガス検出電
   極間および前記対向電極と前記予備電極間に流れる電流
   をそれぞれ測定する第１の電流測定手段と、第２の電流
   測定手段とを備えたことを特徴とする請求項１ないし３
   の何れかに記載のガスセンサ。
5. 【請求項５】 前記ガス検出電極と対向電極、及び予備
   電極と前記対向電極との間にそれぞぞれ個別に電源回路
   と共に電流測定手段を備えたことを特徴とする請求項４
   に記載のガスセンサ。
6. 【請求項６】 前記第１の電流測定手段による電流測定
   値を前記第２の電流測定手段による電流測定値で補正し
   てセンサ信号出力値を演算する演算手段を備えたことを
   特徴とする請求項４または５に記載のガスセンサ。