JP2005321346A - Oxygen gas detector - Google Patents

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JP2005321346A JP2004141120A JP2004141120A JP2005321346A JP 2005321346 A JP2005321346 A JP 2005321346A JP 2004141120 A JP2004141120 A JP 2004141120A JP 2004141120 A JP2004141120 A JP 2004141120A JP 2005321346 A JP2005321346 A JP 2005321346A
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Shoji Kitanoya
昇治 北野谷
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Niterra Co Ltd
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NGK Spark Plug Co Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an oxygen gas detector making the best use of a single proton conductive layer to detect precisely an oxygen gas concentration by simple constitution. <P>SOLUTION: A direct-current voltage enough to saturate a current flowing from a positive electrode 1420 to a negative electrode 1430 is impressed between the positive electrode 1420 and the negative electrode 1430, by a variable direct-current power source 2200, and the current flowing from the positive electrode 1420 to the negative electrode 1430 is measured by a direct-current ammeter 2300 to detect the oxygen gas concentration in a measured gas. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、酸素ガス検出装置に関するものである。   The present invention relates to an oxygen gas detection device.

近年、地球環境や自然保護等に対する社会的要求から、効率の高いクリーンなエネルギー源として、種々の燃料電池の研究が活発に行われている。これらの燃料電池のうち、例えば、低温作動や高出力密度等の利点により、家庭用や車載用のエネルギー源として固体高分子型燃料電池の開発が期待されている。   In recent years, various fuel cells have been actively researched as efficient and clean energy sources due to social demands for the global environment and nature conservation. Among these fuel cells, for example, due to advantages such as low-temperature operation and high output density, development of a polymer electrolyte fuel cell is expected as an energy source for home use or in-vehicle use.

このような燃料電池のアノードガスとしては、天然ガスやメタノール等を改質することで得られる水素ガスの採用が有望視される一方で、当該燃料電池のカソードガスとしては、例えば、加湿空気が採用される。このカソードガス中の酸素は、上記燃料電池の発電により消費されるが、より一層効率を向上させるために、カソードガス中の酸素の濃度を直接検出し得る検出装置の開発が要請される。   As the anode gas of such a fuel cell, the use of hydrogen gas obtained by reforming natural gas, methanol or the like is considered promising, while as the cathode gas of the fuel cell, for example, humidified air is used. Adopted. The oxygen in the cathode gas is consumed by the power generation of the fuel cell. However, in order to further improve the efficiency, it is required to develop a detection device that can directly detect the concentration of oxygen in the cathode gas.

この要請に対する検出装置としては、アノードガス側からの水素ガスの漏洩等を考慮して、安全確保のため、例えば、100(℃)と作動温度の低いものが必要とされる。このような低温作動型の酸素ガス検出装置としては、ナフィオン(登録商標)の膜(以下、ナフィオン膜ともいう)をプロトン伝導膜として用いた電流検出型酸素ガス検出装置が下記非特許文献1にて開示されている。   In order to ensure safety in consideration of leakage of hydrogen gas from the anode gas side, a detection device having a low operating temperature of, for example, 100 (° C.) is required as a detection device for this request. As such a low temperature operation type oxygen gas detection device, a current detection type oxygen gas detection device using a Nafion (registered trademark) membrane (hereinafter also referred to as a Nafion membrane) as a proton conductive membrane is disclosed in Non-Patent Document 1 below. Are disclosed.

この電流検出型酸素ガス検出装置においては、上下両側のナフィオン膜が多孔性シートを介し互いに間隔をおいて平行に支持されており、これら各ナフィオン膜の両面には、白金電極がそれぞれ形成されている。ここで、上側ナフィオン膜の両白金電極のうち多孔性シート側に位置する白金電極は、当該多孔性シートの空所を通し下側ナフィオン膜の両白金電極のうち多孔性シート側に位置する白金電極に対向している。また、上側ナフィオン膜の上側白金電極上には拡散層が形成されている。   In this current detection type oxygen gas detection device, the upper and lower Nafion membranes are supported in parallel with each other through a porous sheet, and platinum electrodes are respectively formed on both sides of each Nafion membrane. Yes. Here, the platinum electrode located on the porous sheet side of both platinum electrodes of the upper Nafion membrane passes through the void of the porous sheet, and the platinum electrode located on the porous sheet side of both platinum electrodes of the lower Nafion membrane Opposite the electrode. A diffusion layer is formed on the upper platinum electrode of the upper Nafion film.

このような2層構造のもと、下側ナフィオン膜の両白金電極間に直流電圧を印加すると、上記2層構造に向けてその下方から流れる水蒸気が、下側ナフィオン膜の下側白金電極上にて電解されてプロトンを発生する。このように発生したプロトンは、下側ナフィオン膜を通りその上側白金電極に移動して、水素ガスとなって多孔性シートの空所内に供給される。   Under such a two-layer structure, when a DC voltage is applied between the platinum electrodes of the lower Nafion membrane, water vapor flowing from the lower side toward the two-layer structure on the lower platinum electrode of the lower Nafion membrane To generate protons. The protons generated in this way move through the lower Nafion membrane to the upper platinum electrode, and are supplied as hydrogen gas into the voids of the porous sheet.

これに伴い、上側ナフィオン膜においては、被測定ガス中の酸素ガスと上記空所に溜まる水素ガスとの間で燃料電池が構成される。このため、上側ナフィオン膜の両白金電極を電気的に短絡すると、これら両白金電極間には短絡電流が流れる。ここで、上側ナフィオン膜の上側白金電極上には上述のごとく拡散層が形成されているので、上側白金電極への酸素ガスの供給が制限される。このため、上記短絡電流は被測定ガス中の酸素分圧に依存することとなる。従って、この短絡電流を測定すれば、酸素ガスの濃度を検出できる。
「A solid-state amperometric oxygen sensor using NAFION menbrane operative at room temperature」,Chemistry Letters by Norio Miura etc. pp.1197-1200,1988
Accordingly, in the upper Nafion membrane, a fuel cell is configured between the oxygen gas in the gas to be measured and the hydrogen gas accumulated in the space. For this reason, when both platinum electrodes of the upper Nafion film are electrically short-circuited, a short-circuit current flows between the two platinum electrodes. Here, since the diffusion layer is formed on the upper platinum electrode of the upper Nafion film as described above, supply of oxygen gas to the upper platinum electrode is restricted. For this reason, the short-circuit current depends on the oxygen partial pressure in the gas to be measured. Therefore, if this short circuit current is measured, the concentration of oxygen gas can be detected.
"A solid-state amperometric oxygen sensor using NAFION menbrane operative at room temperature", Chemistry Letters by Norio Miura etc. pp.1197-1200,1988

しかし、上記電流検出型酸素ガス検出装置では、上述のように、短絡電流の測定にあたり、燃料電池を構成するに必要な水素ガスを供給するために、水素ガスを溜める空所を設けた多孔性シート、下側ナフィオン膜及びその両白金電極が必須とされる。従って、この多孔性シート、下側ナフィオン膜及びその両白金電極が余分な構成部材となって酸素ガス検出装置としての構成を複雑にするという不具合を招く。   However, in the current detection type oxygen gas detection device, as described above, in order to supply the hydrogen gas necessary for constituting the fuel cell in measuring the short-circuit current, the porosity provided with a space for storing the hydrogen gas is provided. The sheet, the lower Nafion membrane, and both platinum electrodes are essential. Therefore, the porous sheet, the lower Nafion membrane, and both the platinum electrodes become extra constituent members, causing a problem that the configuration of the oxygen gas detection device is complicated.

そこで、本発明は、以上のようなことに対処するため、単一のプロトン伝導層を活用し、簡単な構成にて、酸素ガスの濃度を精度よく検出するようにした酸素ガス検出装置を提供することを目的とする。   In view of the above, the present invention provides an oxygen gas detection apparatus that uses a single proton conduction layer to accurately detect the concentration of oxygen gas with a simple configuration in order to deal with the above-described problems. The purpose is to do.

上記課題の解決にあたり、本発明に係る酸素ガス検出装置は、請求項1の記載によれば、酸素ガスセンサ(1000)と、検出制御手段(2000)とを備える。   In solving the above-mentioned problems, an oxygen gas detection device according to the present invention comprises an oxygen gas sensor (1000) and a detection control means (2000) according to claim 1.

酸素ガスセンサは、
高分子電解質からなるプロトン伝導層(1410)と、
このプロトン伝導層の両面の一方に沿い設けた正側電極(1420)と、
プロトン伝導層の両面の他方に沿い設けた負側電極(1430)と、
この負側電極を介しプロトン伝導層に対向するように負側電極に沿い設けた一側支持部材(1200)と、
正側電極を介しプロトン伝導層に対向するように正側電極に沿い設けた他側支持部材(1300)とを具備する。
Oxygen gas sensor
A proton conducting layer (1410) made of a polymer electrolyte;
A positive electrode (1420) provided along one of both sides of the proton conducting layer;
A negative electrode (1430) provided along the other of both sides of the proton conducting layer;
A one-side support member (1200) provided along the negative electrode so as to face the proton conduction layer via the negative electrode;
And an other side support member (1300) provided along the positive side electrode so as to face the proton conductive layer via the positive side electrode.

ここで、一側支持部材は、外部からの被測定ガスを負側電極に流入させる拡散律速部(1280)を有しており、他側支持部材は、外部からの被測定ガスを正側電極に流入させる流入口部(1321)を有している。   Here, the one side support member has a diffusion rate controlling portion (1280) that allows the gas to be measured from the outside to flow into the negative electrode, and the other side support member allows the gas to be measured from the outside to be the positive electrode. And an inflow port portion (1321) to be introduced into the water.

また、検出制御手段は、
所定の電圧範囲以内の直流電圧を正側電極と負側電極との間に印加する直流電源(2200)を具備している。ここで、上記所定の電圧範囲は、他側支持部材の流入口部から流入する被測定ガス中の水蒸気に基づき正側電極上にてプロトンを生成し、この生成プロトンを、一側支持部材の拡散律速部から流入する被測定ガス中の酸素と反応するようにプロトン伝導層を介し負側電極に汲み出すに要する直流電圧範囲に設定されている。
The detection control means
A DC power supply (2200) for applying a DC voltage within a predetermined voltage range between the positive electrode and the negative electrode is provided. Here, the predetermined voltage range is such that protons are generated on the positive electrode based on water vapor in the gas to be measured flowing from the inlet of the other side support member, and the generated protons are supplied to the one side support member. It is set to a DC voltage range required for pumping out to the negative electrode through the proton conduction layer so as to react with oxygen in the gas to be measured flowing from the diffusion rate controlling portion.

このように、正側電極と負側電極との間に印加する直流電圧が、他側支持部材の流入口部から流入する被測定ガス中の水蒸気に基づき正側電極上にてプロトンを生成し、この生成プロトンを、一側支持部材の拡散律速部から流入する被測定ガス中の酸素ガスと反応するようにプロトン伝導層を介し負側電極に汲み出すに要する直流電圧範囲以内の電圧に設定されている。   In this way, the DC voltage applied between the positive electrode and the negative electrode generates protons on the positive electrode based on the water vapor in the gas to be measured flowing from the inlet of the other side support member. The generated proton is set to a voltage within the DC voltage range required for pumping to the negative electrode through the proton conduction layer so as to react with the oxygen gas in the gas to be measured flowing from the diffusion-controlling portion of the one side support member. Has been.

従って、このように設定された直流電圧が正側電極と負側電極との間に印加されると、他側支持部材の流入口部から流入する被測定ガス中の水蒸気が正側電極上にて電気分解してプロトンを生成する。そして、この生成プロトンは、高分子電解質からなるプロトン伝導層の伝導作用のもとに負側電極に汲み出されて、負側電極上で水素ガスに生成される。なお、この水素ガスは、一側支持部材の拡散律速部から流入する被測定ガス中の酸素ガスと反応して消費されて水蒸気となるから、負側電極上の水素ガスの濃度の増大は抑制される。   Therefore, when a DC voltage set in this way is applied between the positive electrode and the negative electrode, water vapor in the gas to be measured flowing from the inlet port of the other side support member is placed on the positive electrode. Electrolyze to produce protons. The generated protons are pumped to the negative electrode under the conductive action of the proton conductive layer made of the polymer electrolyte, and are generated into hydrogen gas on the negative electrode. This hydrogen gas is consumed by reacting with the oxygen gas in the gas to be measured flowing from the diffusion-controlling portion of the one side support member to become water vapor, so that an increase in the hydrogen gas concentration on the negative electrode is suppressed. Is done.

このような状態において、直流電源からの直流電圧を増大させると、これに伴い、上述のように負側電極に汲み出される生成プロトンの量が増大する。従って、負側電極上で上述のように生成される水素ガスの量も増大する。   In such a state, when the DC voltage from the DC power supply is increased, the amount of generated protons pumped to the negative electrode increases as described above. Accordingly, the amount of hydrogen gas generated on the negative electrode as described above also increases.

これに対し、拡散律速部から流入する酸素ガスのすべてが、上述のように増大する水素ガスと反応して消費される。従って、このような消費の時点において、酸素ガスとの未反応の水素ガスが負側電極上で余るようになって、当該負側電極上の水素ガスの濃度が急激に上昇する。このため、正側電極上の水素ガスの濃度と負側電極上の水素ガスの濃度との差が発生し、この差に応じた電圧が正側電極と負側電極との間に発生する。   On the other hand, all of the oxygen gas flowing in from the diffusion rate controlling part is consumed by reacting with the increasing hydrogen gas as described above. Accordingly, at the time of such consumption, unreacted hydrogen gas with oxygen gas remains on the negative electrode, and the concentration of hydrogen gas on the negative electrode increases rapidly. For this reason, a difference occurs between the concentration of hydrogen gas on the positive electrode and the concentration of hydrogen gas on the negative electrode, and a voltage corresponding to this difference is generated between the positive electrode and the negative electrode.

ここで、このように正側電極と負側電極との間に生ずる電圧は、直流電源の直流電圧に対し逆極性になっており、逆起電力として作用する。このため、直流電源から正側電極と負側電極との間への実質上の印加電圧は、上記直流電圧から上記逆起電力を減じた電圧に減少することとなる。従って、上述のような生成プロトンの汲み出しに伴い正側電極から負側電極に流れる電流は、飽和した状態となり、拡散律速部から流入して水素ガスと反応し消費される被測定ガス中の酸素ガスの量、換言すれば、当該酸素ガスの濃度に比例する。   Here, the voltage generated between the positive electrode and the negative electrode in this way has a reverse polarity with respect to the DC voltage of the DC power supply, and acts as a counter electromotive force. For this reason, the substantially applied voltage from the DC power source to the positive side electrode and the negative side electrode is reduced to a voltage obtained by subtracting the back electromotive force from the DC voltage. Therefore, the current flowing from the positive side electrode to the negative side electrode as the generated protons are pumped out as described above becomes saturated, and the oxygen in the gas to be measured is consumed by reacting with the hydrogen gas flowing in from the diffusion rate controlling part. It is proportional to the amount of gas, in other words, the concentration of the oxygen gas.

よって、上述のように正側電極から負側電極に流れる電流を飽和させるに十分な電圧、即ち、上記所定の電圧範囲以内の直流電圧を正側電極と負側電極との間に印加することにより、正側電極から負側電極に流れる電流を測定すれば、被測定ガス中の酸素ガスの濃度が精度よく検出され得る。   Therefore, as described above, a voltage sufficient to saturate the current flowing from the positive electrode to the negative electrode, that is, a DC voltage within the predetermined voltage range is applied between the positive electrode and the negative electrode. Thus, if the current flowing from the positive electrode to the negative electrode is measured, the concentration of oxygen gas in the gas to be measured can be accurately detected.

また、このような酸素ガスの濃度の精度のよい検出にあたり、プロトン伝導層としては、1つ採用するのみでよく、酸素ガスセンサを簡単な構成で提供し得る。   In addition, when detecting the oxygen gas concentration with high accuracy, only one proton conductive layer may be employed, and the oxygen gas sensor can be provided with a simple configuration.

また、本発明に係る酸素ガス検出装置は、請求項2の記載によれば、請求項1に記載の発明において、この発明にいう酸素ガスセンサに代えて、次のような酸素ガスセンサ(1000)を備える構成となっている。   According to a second aspect of the present invention, there is provided an oxygen gas sensor according to the second aspect of the present invention, wherein, in the first aspect of the invention, an oxygen gas sensor (1000) as follows is used instead of the oxygen gas sensor according to the present invention. It is configured to be equipped.

この酸素ガスセンサは、
流入口部(1111)を有する底壁(1110)と、流入口部(1121)を有する筒状周壁(1120)とを有し、この周壁の底端側開口部に前記底壁を設けてなる筒体(1100)と、
この筒体内に収容されて上記底壁に着座する一側支持部材(1200)と、
この一側支持部材に積層される負側電極(1430)と、
この負側電極に積層されて高分子電解質からなるプロトン伝導層(1410)と、
このプロトン伝導層を介し負側電極に対向するようにプロトン伝導層に積層される正側電極(1420)と、
この正側電極を介しプロトン伝導層に対向するように正側電極に積層される他側支持部材(1300)と、
筒体内にその先端側開口部から嵌装されて他側支持部材を正側電極、プロトン伝導層、負側電極及び一側支持部材を介し上記底壁上に押圧する押圧部材(1500)とを具備する。
This oxygen gas sensor
It has a bottom wall (1110) having an inlet portion (1111) and a cylindrical peripheral wall (1120) having an inlet portion (1121), and the bottom wall is provided at the bottom end side opening of the peripheral wall. A cylinder (1100);
A one-side support member (1200) received in the cylinder and seated on the bottom wall;
A negative electrode (1430) laminated on the one side support member;
A proton conducting layer (1410) made of a polymer electrolyte laminated on the negative electrode;
A positive electrode (1420) laminated on the proton conductive layer so as to face the negative electrode through the proton conductive layer;
The other side support member (1300) laminated on the positive side electrode so as to face the proton conduction layer via the positive side electrode;
A pressing member (1500) that is fitted into the cylindrical body from its distal end opening and presses the other side support member onto the bottom wall via the positive side electrode, proton conductive layer, negative side electrode, and one side support member. It has.

ここで、一側支持部材は、外部から上記底壁の流入口部を通し負側電極に被測定ガスを流入させる拡散律速部(1280)を有しており、他側支持部材は、上記周壁の流入口部を通り外部から流入する被測定ガスを正側電極に流入させる流入口部(1321)を有している。   Here, the one-side support member has a diffusion-controlling portion (1280) that allows the measurement gas to flow into the negative electrode through the inlet of the bottom wall from the outside, and the other-side support member is the peripheral wall. And an inflow port portion (1321) through which the gas to be measured flowing in from the outside flows into the positive electrode.

このような構成の酸素ガスセンサを採用することで、プロトン伝導層、正側電極及び負側電極の積層構造からなるセンサ素子を両支持部材でもって安定的に挟持しつつ、請求項1に記載の発明と同様の作用効果を達成し得る。   2. The sensor device according to claim 1, wherein the sensor element having a laminated structure of the proton conduction layer, the positive electrode, and the negative electrode is stably held by both support members by employing the oxygen gas sensor having such a configuration. The same effects as the invention can be achieved.

また、本発明に係る酸素ガス検出装置は、請求項3の記載によれば、請求項1に記載の発明において、この発明にいう検出制御手段(2000)に代えて、検出制御手段(3000)を備える構成となっている。   According to a third aspect of the present invention, there is provided an oxygen gas detection device according to the third aspect of the present invention, wherein the detection control means (3000) is replaced with the detection control means (2000) according to the present invention. It is the composition provided with.

この検出制御手段は、
正側電極と負側電極との間に生ずる電圧でもって充電されて充電電圧を発生する充電電圧発生手段(3060)と、
所定の電圧範囲以内の基準電圧を発生する基準電圧発生手段(3070)と、
正側電極と負側電極との間に直流電圧を印加する電圧印加手段(3050)と、
正側電極と負側電極との間に生ずる電圧を上記基準電圧に維持するように正側電極と負側電極との間に印加する上記直流電圧を上記充電電圧に基づき制御する電圧制御手段(3010、3020)とを具備している。
This detection control means
Charging voltage generating means (3060) for generating a charging voltage by being charged with a voltage generated between the positive electrode and the negative electrode;
A reference voltage generating means (3070) for generating a reference voltage within a predetermined voltage range;
Voltage applying means (3050) for applying a DC voltage between the positive electrode and the negative electrode;
Voltage control means for controlling the DC voltage applied between the positive electrode and the negative electrode based on the charging voltage so as to maintain the voltage generated between the positive electrode and the negative electrode at the reference voltage ( 3010, 3020).

ここで、上記所定の電圧範囲は、他側支持部材の流入口部から流入する被測定ガス中の水蒸気に基づき正側電極上にてプロトンを生成し、この生成プロトンを、一側支持部材の拡散律速部から流入する被測定ガス中の酸素ガスと反応するようにプロトン伝導層を介し負側電極に汲み出すに要する直流電圧範囲に設定されている。   Here, the predetermined voltage range is that protons are generated on the positive electrode based on water vapor in the gas to be measured flowing from the inlet of the other side support member, and the generated protons are supplied to the one side support member. It is set to a DC voltage range required for pumping out to the negative electrode through the proton conduction layer so as to react with oxygen gas in the gas to be measured flowing from the diffusion rate controlling portion.

このように構成した検出制御手段を採用することで、電圧印加手段から酸素ガスセンサの正側電極と負側電極との間に印加される直流電圧が、充電電圧発生手段からの充電電圧を上記基準電圧に維持するように、即ち、負側電極上の水素ガスの濃度を一定にするように制御される。これに伴い、正側電極から負側電極に流れる電流の増大も抑制される。その結果、当該電流が飽和する。このような状態における上記電流は、拡散律速孔部を通り流入する酸素ガスの量、即ち、当該酸素ガスの濃度に比例する。   By adopting the detection control means configured as described above, the DC voltage applied between the positive electrode and the negative electrode of the oxygen gas sensor from the voltage application means is the reference voltage of the charge voltage from the charge voltage generation means. It is controlled to maintain the voltage, that is, to keep the concentration of hydrogen gas on the negative electrode constant. Accordingly, an increase in current flowing from the positive electrode to the negative electrode is also suppressed. As a result, the current is saturated. The current in such a state is proportional to the amount of oxygen gas flowing in through the diffusion rate controlling hole, that is, the concentration of the oxygen gas.

従って、上記充電電圧を上記所定の電圧範囲以内の基準電圧に維持するように、正側電極から負側電極に流れる電流を飽和させるに十分な電圧が、電圧印加手段でもって、正側電極と負側電極との間に印加されれば、正側電極から負側電極に流れる電流を測定することで、被測定ガス中の酸素ガスの濃度が精度よく検出され得る。その他の作用効果は請求項1に記載の発明と同様である。   Accordingly, a voltage sufficient to saturate the current flowing from the positive electrode to the negative electrode so as to maintain the charging voltage at a reference voltage within the predetermined voltage range is not When applied between the negative electrode and the negative electrode, the current flowing from the positive electrode to the negative electrode is measured, so that the concentration of oxygen gas in the gas to be measured can be accurately detected. Other functions and effects are the same as those of the first aspect of the invention.

また、本発明に係る酸素ガス検出装置は、請求項4の記載によれば、請求項3に記載の発明において、この発明にいう酸素ガスセンサに代えて、請求項2に記載の発明にいう酸素ガスセンサを採用した構成となっている。   According to the description of claim 4, the oxygen gas detection device according to the present invention is the oxygen according to claim 2, in place of the oxygen gas sensor according to the present invention. The gas sensor is adopted.

これにより、請求項2に記載の発明において酸素ガスセンサが有する構成に基づく作用効果及び請求項3に記載の発明において検出制御手段に基づく作用効果の双方が達成され得る。   Thus, both the operational effect based on the configuration of the oxygen gas sensor in the invention described in claim 2 and the operational effect based on the detection control means in the invention described in claim 3 can be achieved.

また、本発明は、請求項5の記載によれば、請求項3或いは4に記載の酸素ガス検出装置において、
充電電圧発生手段は、コンデンサであり、
基準電圧発生手段は、上記基準電圧を発生する可変基準電源であり、
電圧印加手段は、差動増幅手段であり、
電圧制御手段は、所定周期にてパルス駆動信号を発生するパルス駆動信号発生手段(3010)と、このパルス駆動信号発生手段から順次発生するパルス駆動信号の一方向へのレベル変化に基づき第1切り替え状態に切り替わるように作動し、上記パルス駆動信号の他方向へのレベル変化に基づき第2切り替え状態に切り替わるように作動する切り替え作動手段(3020)とを備えて、
コンデンサは、切り替え作動手段の第1切り替え状態への作動に基づき、正側電極と負側電極との間に生ずる電圧でもって充電されて上記充電電圧を発生し、
差動増幅手段は、切り替え作動手段の第2切り替え状態への作動に基づき、上記基準電圧と上記充電電圧との差を増幅して差動増幅電圧を発生し、この差動増幅電圧を、正側電極と負側電極との間に上記差動増幅電圧に応じた電圧を発生させるように上記直流電圧として印加するようにしたことを特徴とする。
According to the fifth aspect of the present invention, in the oxygen gas detection device according to the third or fourth aspect,
The charging voltage generating means is a capacitor,
The reference voltage generating means is a variable reference power source that generates the reference voltage,
The voltage application means is a differential amplification means,
The voltage control means performs a first switching operation based on a pulse drive signal generating means (3010) for generating a pulse drive signal at a predetermined cycle and a level change in one direction of the pulse drive signal sequentially generated from the pulse drive signal generating means. Switching operation means (3020) that operates to switch to a state and operates to switch to a second switching state based on a level change in the other direction of the pulse drive signal,
The capacitor is charged with a voltage generated between the positive side electrode and the negative side electrode based on the operation of the switching operation means to the first switching state to generate the charging voltage,
The differential amplifying means generates a differential amplified voltage by amplifying the difference between the reference voltage and the charging voltage based on the operation of the switching operation means to the second switching state. The DC voltage is applied so as to generate a voltage corresponding to the differential amplification voltage between the side electrode and the negative side electrode.

これにより、上述のような切り替え作動手段の切り替え作動の繰り返しのもと、正側電極と負側電極との間に印加される上記差動増幅電圧が、上記充電電圧の上記基準電圧への増大とともに減少していく。従って、上述のように正側電極から負側電極に汲み出される水素ガスの量が飽和し、正側電極及び負側電極上の各水素ガスの濃度が一定値になる。   As a result, the differential amplification voltage applied between the positive electrode and the negative electrode is increased to the reference voltage by repeating the switching operation of the switching operation means as described above. It will decrease with time. Accordingly, the amount of hydrogen gas pumped from the positive electrode to the negative electrode is saturated as described above, and the concentration of each hydrogen gas on the positive electrode and the negative electrode becomes a constant value.

換言すれば、上記差動増幅電圧が、上記充電電圧を上記基準電圧に維持するように、即ち、負側電極上の水素ガスの濃度を一定にするように制御される。これに伴い、上述と同様に正側電極から負側電極に流れる電流の増大が抑制され飽和する。このような状態における上記電流は、拡散律速部を通り流入する酸素ガスの量、即ち、当該酸素ガスの濃度に比例する。従って、当該電流を測定することで、被測定ガス中の酸素ガスの濃度が精度よく検出しつつ、請求項3或いは4に記載の発明と同様の作用効果をより一層確実に達成し得る。   In other words, the differential amplification voltage is controlled so as to maintain the charging voltage at the reference voltage, that is, to keep the concentration of hydrogen gas on the negative electrode constant. As a result, the increase in current flowing from the positive electrode to the negative electrode is suppressed and saturated as described above. The current in such a state is proportional to the amount of oxygen gas flowing in through the diffusion rate controlling portion, that is, the concentration of the oxygen gas. Therefore, by measuring the current, it is possible to more reliably achieve the same effect as the invention of the third or fourth aspect while accurately detecting the concentration of oxygen gas in the gas to be measured.

また、本発明は、請求項6の記載によれば、請求項1〜5のいずれか1つに記載の酸素ガス検出装置において、上記所定の電圧範囲は、0.7(V)〜1.4(V)の電圧範囲であることを特徴とする。   According to a sixth aspect of the present invention, in the oxygen gas detection device according to any one of the first to fifth aspects, the predetermined voltage range is 0.7 (V) to 1.. The voltage range is 4 (V).

これにより、請求項1〜5のいずれか1つに記載の発明と同様の作用効果をより一層確実に達成し得る。   Thereby, the same effect as the invention according to any one of claims 1 to 5 can be achieved more reliably.

また、本発明は、請求項7の記載によれば、請求項1〜6のいずれか1つに記載の酸素ガス検出装置において、正側電極は、白金族金属の粉末と高分子電解質とを混合してなる材料でもって形成されていることを特徴とする。   According to the seventh aspect of the present invention, in the oxygen gas detection device according to any one of the first to sixth aspects, the positive electrode includes a platinum group metal powder and a polymer electrolyte. It is characterized by being formed of a material obtained by mixing.

これにより、正側電極は、被測定ガス中の水蒸気の電気分解により発生する酸素の影響を受けて酸化することが抑制され得る。このため、酸素ガスセンサとしての耐久性を高めつつ、請求項1〜6のいずれか1つに記載の発明と同様の作用効果を達成し得る。   Thereby, it can suppress that the positive side electrode receives the influence of the oxygen which generate | occur | produces by the electrolysis of the water vapor | steam in to-be-measured gas, and is oxidized. For this reason, the effect similar to the invention as described in any one of Claims 1-6 can be achieved, improving durability as an oxygen gas sensor.

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。   In addition, the code | symbol in the bracket | parenthesis of each said means shows the correspondence with the specific means as described in embodiment mentioned later.

以下、本発明の各実施形態を図面により説明する。
(第1実施形態)
図1は、本発明に係る酸素ガス検出装置の第1実施形態を示す。この酸素ガス検出装置は、酸素ガスセンサ1000と、検出制御回路2000とにより構成されている。
Hereinafter, each embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
(First embodiment)
FIG. 1 shows a first embodiment of an oxygen gas detector according to the present invention. This oxygen gas detection device includes an oxygen gas sensor 1000 and a detection control circuit 2000.

酸素ガスセンサ1000は、金属製円筒状筒体1100を備えており、この筒体1100は、その底壁1110の中央にて、流入口部1111を有している。また、この筒体1100は、その周壁1120にて、2つの流入口部1121を備えており、これら流入口部1121は、底壁1110の近傍において、周壁1120の周方向に沿い等角度間隔にて形成されている。なお、図1及び図2において、符号1140は、環状フランジを示しており、このフランジ1140は、周壁1120の先端側開口部から外方へ半径方向に延出形成されている。   The oxygen gas sensor 1000 includes a metal cylindrical cylinder 1100, and the cylinder 1100 has an inlet portion 1111 at the center of the bottom wall 1110. The cylindrical body 1100 includes two inlet portions 1121 at the peripheral wall 1120, and these inlet portions 1121 are equiangularly spaced along the circumferential direction of the peripheral wall 1120 in the vicinity of the bottom wall 1110. Is formed. 1 and 2, reference numeral 1140 denotes an annular flange, and the flange 1140 is formed to extend outward from the distal end side opening of the peripheral wall 1120 in the radial direction.

また、当該酸素ガスセンサ1000は、図1にて示すごとく、筒体1100内に収容した下側支持部材1200、上側支持部材1300、センサ素子1400及び環状シール1450を備えている。   Further, as shown in FIG. 1, the oxygen gas sensor 1000 includes a lower support member 1200, an upper support member 1300, a sensor element 1400, and an annular seal 1450 housed in a cylindrical body 1100.

下側支持部材1200は、図2にて詳細に示すごとく、各円形状の下側、中間側及び上側の基板1210、1220及び1230を備えており、これら各基板1210、1220及び1230は、共に、セラミック材料でもって形成されている。   As shown in detail in FIG. 2, the lower support member 1200 includes lower, middle, and upper substrates 1210, 1220, and 1230 that are circular, and the substrates 1210, 1220, and 1230 are both It is made of a ceramic material.

下側基板1210の裏面には、環状の下側電極層1240が、同軸的に積層されている。また、中間側基板1220は、円板状の中間側電極層1250を介し、下側基板1210の表面に同軸的に積層されている。ここで、中間側電極層1250は、下側基板1210にその板厚方向に形成したスルーホール1211を介し、下側電極層1240に電気的に接続されている。なお、両基板1210、1220の外径は、共に同一である。また、中間側電極層1250の外径は、両基板1210、1220の外径よりも小さく、下側電極層1240の内径よりも大きい。   An annular lower electrode layer 1240 is coaxially stacked on the back surface of the lower substrate 1210. Further, the intermediate substrate 1220 is coaxially stacked on the surface of the lower substrate 1210 with a disk-shaped intermediate electrode layer 1250 interposed therebetween. Here, the intermediate electrode layer 1250 is electrically connected to the lower electrode layer 1240 through a through hole 1211 formed in the lower substrate 1210 in the thickness direction. Both the substrates 1210 and 1220 have the same outer diameter. Further, the outer diameter of the intermediate electrode layer 1250 is smaller than the outer diameters of both the substrates 1210 and 1220 and larger than the inner diameter of the lower electrode layer 1240.

また、上側基板1230は、円板状の中間側電極層1260を介し、中間側基板1220の表面に同軸的に積層されており、この上側基板1230の表面には、上側電極層1270が同軸的に積層されている。ここで、中間側電極層1260は、中間側基板1220にその板厚方向に形成したスルーホール1221を介し、中間側電極層1250に電気的に接続されている。また、上側電極層1270は、上側基板1230にその板厚方向に形成したスルーホール1231を介し、中間側電極層1260に電気的に接続されている。なお、上側基板1230の外径は、中間側基板1220の外径よりも小さく、上側電極層1270の外径と同一である。また、中間側電極層1260の外径は中間側電極層1250の外径よりも小さい。   Further, the upper substrate 1230 is coaxially laminated on the surface of the intermediate substrate 1220 via the disk-shaped intermediate electrode layer 1260, and the upper electrode layer 1270 is coaxial with the surface of the upper substrate 1230. Are stacked. Here, the intermediate electrode layer 1260 is electrically connected to the intermediate electrode layer 1250 through a through-hole 1221 formed in the intermediate substrate 1220 in the thickness direction. The upper electrode layer 1270 is electrically connected to the intermediate electrode layer 1260 through a through hole 1231 formed in the upper substrate 1230 in the thickness direction. The outer diameter of the upper substrate 1230 is smaller than the outer diameter of the intermediate substrate 1220 and is the same as the outer diameter of the upper electrode layer 1270. Further, the outer diameter of the intermediate electrode layer 1260 is smaller than the outer diameter of the intermediate electrode layer 1250.

このように積層した上側電極層1270、上側基板1230、中間側電極層1260、中間側基板1220、中間側電極層1250及び下側基板1210には、上側電極層1270から下側基板1210にかけて、拡散律速孔部1280が同軸的に形成されている。   The upper electrode layer 1270, the upper substrate 1230, the intermediate electrode layer 1260, the intermediate substrate 1220, the intermediate electrode layer 1250, and the lower substrate 1210 stacked in this manner are diffused from the upper electrode layer 1270 to the lower substrate 1210. The rate limiting hole 1280 is formed coaxially.

以上のように構成した下側支持部材1200は、その下側基板1210にて、下側電極層1240を介し、筒体1100の底壁1110の内面上に着座するように筒体1100内に収容されている(図1参照)。   The lower support member 1200 configured as described above is accommodated in the cylindrical body 1100 so as to be seated on the inner surface of the bottom wall 1110 of the cylindrical body 1100 with the lower substrate 1210 through the lower electrode layer 1240. (See FIG. 1).

一方、上側支持部材1300は、図2にて詳細に示すごとく、環状の下側基板1310、環状の中間側基板1320及び円形状の両上側基板1330、1340を備えており、これら各基板1310〜1340は、共に、同一外径を有するようにセラミック材料でもって形成されている。   On the other hand, as shown in detail in FIG. 2, the upper support member 1300 includes an annular lower substrate 1310, an annular intermediate substrate 1320, and circular upper substrates 1330 and 1340. Both 1340 are formed of a ceramic material so as to have the same outer diameter.

中間側基板1320は、下側基板1310の表面上に同軸的に積層されており、この中間側基板1320の外周部には、4つの溝状流入口部1321が、その上端側開口面にて上側基板1330の裏面に当接することで形成されている。これら各流入口部1321は、基板1320にその周方向に沿い等角度間隔にて形成されている。ここで、各流入口部1321は、基板1320の周方向90度毎に、基板1320内の中空部を当該基板1320の内周面から外方に連通させる。   The intermediate side substrate 1320 is coaxially stacked on the surface of the lower side substrate 1310, and four groove-shaped inlet portions 1321 are formed at the upper end side opening surface on the outer peripheral portion of the intermediate side substrate 1320. It is formed by contacting the back surface of the upper substrate 1330. These inflow ports 1321 are formed at equal angular intervals along the circumferential direction of the substrate 1320. Here, each inflow port portion 1321 communicates the hollow portion in the substrate 1320 outward from the inner peripheral surface of the substrate 1320 every 90 degrees in the circumferential direction of the substrate 1320.

上側基板1330は中間側基板1320の表面に同軸的に積層されており、この上側基板1330の裏面のうち中間側基板1320の中空部内に露呈する裏面部位には、円板状の下側電極層1350が配設されている。上側基板1340は、中間側電極層1360を介し上側基板1330の表面に同軸的に積層されており、この上側基板1340の表面には、上側電極層1370が同軸的に積層されている。   The upper substrate 1330 is coaxially laminated on the surface of the intermediate substrate 1320, and a disk-shaped lower electrode layer is formed on the back surface portion of the back surface of the upper substrate 1330 exposed in the hollow portion of the intermediate substrate 1320. 1350 is provided. The upper substrate 1340 is coaxially stacked on the surface of the upper substrate 1330 via the intermediate electrode layer 1360, and the upper electrode layer 1370 is coaxially stacked on the surface of the upper substrate 1340.

ここで、中間側電極層1360は、上側基板1330にその板厚方向に形成したスルーホール1331を介し、下側電極層1350に電気的に接続されている。また、上側電極層1370は、上側基板1340にその板厚方向に形成したスルーホール1341を介し、中間側電極層1360に電気的に接続されている。なお、中間側電極層1360及び上側電極層1370の外径は、基板1330の外径よりも小さく、下側電極層1350の外径と同一である。   Here, the intermediate electrode layer 1360 is electrically connected to the lower electrode layer 1350 through a through hole 1331 formed in the upper substrate 1330 in the thickness direction. The upper electrode layer 1370 is electrically connected to the intermediate electrode layer 1360 through a through hole 1341 formed in the upper substrate 1340 in the thickness direction. Note that the outer diameters of the intermediate electrode layer 1360 and the upper electrode layer 1370 are smaller than the outer diameter of the substrate 1330 and are the same as the outer diameter of the lower electrode layer 1350.

このように構成した上側支持部材1300は、その環状の下側基板1310にて、センサ素子1400のプロトン伝導層1410(後述する)の外周部上に着座している。   The upper support member 1300 configured as described above is seated on the outer peripheral portion of a proton conductive layer 1410 (described later) of the sensor element 1400 with the annular lower substrate 1310.

センサ素子1400は、図1及び図2にて示すごとく、両支持部材1200、1300の間に挟持されているもので、このセンサ素子1400は、プロトン伝導層1410、正負両側電極1420、1430及び拡散部材1440を備えている。   As shown in FIGS. 1 and 2, the sensor element 1400 is sandwiched between the support members 1200 and 1300. The sensor element 1400 includes a proton conductive layer 1410, positive and negative side electrodes 1420 and 1430, and diffusion. A member 1440 is provided.

プロトン伝導層1410は、比較的低温で機能するフッ素系樹脂材料、例えば、ナフィオン(デュポン社の登録商標)でもって、円板状に形成されており、このプロトン伝導層1410は、その外周部にて、環状シール1450を介し、両支持部材1200、1300の各外周部間に挟持されている。ここで、環状シール1450は、プロトン伝導層1410の外周部と下側支持部材1200の中間側基板1220の外周部との間に気密的に挟持されている。   The proton conductive layer 1410 is formed in a disk shape with a fluorine-based resin material that functions at a relatively low temperature, for example, Nafion (registered trademark of DuPont), and the proton conductive layer 1410 is formed on the outer periphery thereof. Thus, the support members 1200 and 1300 are sandwiched between the outer peripheral portions via the annular seal 1450. Here, the annular seal 1450 is airtightly sandwiched between the outer periphery of the proton conducting layer 1410 and the outer periphery of the intermediate substrate 1220 of the lower support member 1200.

正側電極1420は、負側電極1430及び拡散部材1440と共に円板状に形成されており、正側電極1420は、拡散部材1440と共に、上側支持部材1300の下側基板1310及び中間側基板1320の両中空部内に嵌装されて、拡散部材1440を介しプロトン伝導層1410と上側支持部材1300の下側電極層1360との間に挟持されている。   The positive side electrode 1420 is formed in a disk shape together with the negative side electrode 1430 and the diffusion member 1440, and the positive side electrode 1420 is formed along with the diffusion member 1440 on the lower substrate 1310 and the intermediate substrate 1320 of the upper support member 1300. It is fitted in both the hollow portions and is sandwiched between the proton conductive layer 1410 and the lower electrode layer 1360 of the upper support member 1300 via the diffusion member 1440.

ここで、正側電極1420は、その裏面にて、プロトン伝導層1410の正側面(図2にて図示上側面)に当接しており、当該正側電極1420は、その表面にて、拡散部材1440を介し下側電極層1360の裏面に当接している。   Here, the positive electrode 1420 is in contact with the positive side surface (the upper side surface shown in FIG. 2) of the proton conducting layer 1410 on the back surface, and the positive electrode 1420 is on the surface with the diffusion member. 1440 is in contact with the back surface of the lower electrode layer 1360.

本第1実施形態において、正側電極1440は、白金族金属等の粉末と高分子電解質とを混合した材料で形成されている。具体的には、この正側電極1440は、白金族金属等の粉末及び高分子電解質の双方を混練してペーストとし、このペーストをプロトン伝導層1410の正側面に塗布した後乾燥することで、形成される。   In the first embodiment, the positive electrode 1440 is formed of a material obtained by mixing a powder of platinum group metal or the like and a polymer electrolyte. Specifically, the positive electrode 1440 is obtained by kneading both a platinum group metal powder and a polymer electrolyte into a paste, applying the paste to the positive side of the proton conductive layer 1410, and then drying. It is formed.

負側電極1430は、下側支持部材1200の上側電極層1270とプロトン伝導層1410の負側面との間に挟持されており、この負側電極1430は、多孔質電極材料、例えば、白金族金属等の触媒を片面に塗布してなるカーボンペーパーを用いて形成されている。詳細には、負側電極1430は、上記カーボンペーパーを、その触媒にてプロトン伝導層1410の負側面に密着するように、ホットプレス法でもって、当該プロトン伝導層1410の負側面に接着することで、形成されている。   The negative electrode 1430 is sandwiched between the upper electrode layer 1270 of the lower support member 1200 and the negative side surface of the proton conductive layer 1410. The negative electrode 1430 is a porous electrode material such as a platinum group metal. It is formed using carbon paper formed by applying a catalyst such as one side to the other side. Specifically, the negative electrode 1430 is bonded to the negative side surface of the proton conductive layer 1410 by hot pressing so that the carbon paper is in close contact with the negative side surface of the proton conductive layer 1410 with the catalyst. And formed.

拡散部材1440は、正側電極1420と上側支持部材1300の下側電極層1350との間に挟持されており、筒体1100の外部からその各流入口部1121及び上側支持部材1300の各流入口部1121を通り流入する水蒸気を拡散させて正側電極1420に案内する。なお、拡散部材1440は、耐食性を考慮して、例えば、白金をメッキ処理したチタンのメッシュでもって形成されている。   The diffusion member 1440 is sandwiched between the positive electrode 1420 and the lower electrode layer 1350 of the upper support member 1300, and the respective inlet portions 1121 and the respective inlet ports of the upper support member 1300 from the outside of the cylindrical body 1100. Water vapor flowing in through the portion 1121 is diffused and guided to the positive electrode 1420. The diffusion member 1440 is formed of, for example, a titanium mesh plated with platinum in consideration of corrosion resistance.

円柱状樹脂部材1500は、両環状シール1510、1520を介し、筒体1100内にその先端側開口部から同軸的に嵌装されており、当該樹脂部材1500は、上側支持部材1300を介し、センサ素子1400を下側支持部材1200上に押圧している。なお、当該樹脂部材1500は、電気絶縁樹脂材料でもって形成されている。   The cylindrical resin member 1500 is coaxially fitted into the cylindrical body 1100 from the opening on the front end via both annular seals 1510 and 1520, and the resin member 1500 is connected to the sensor via the upper support member 1300. The element 1400 is pressed onto the lower support member 1200. The resin member 1500 is made of an electrically insulating resin material.

環状シール1510は、樹脂部材1500の下端部に形成した小径部1540に同軸的に嵌装されて、上側支持部材1300の外周部と樹脂部材1500の大径部1530の下端面との間に気密的に挟持されている。また、環状シール1520は、樹脂部材1500の大径部1530の軸方向中間部位に環状に形成した溝部1531内に同軸的に嵌装されて、筒体1100の周壁1120と環状溝部1531の底面との間に気密的に挟持されている。   The annular seal 1510 is coaxially fitted to a small diameter portion 1540 formed at the lower end portion of the resin member 1500, and is airtight between the outer peripheral portion of the upper support member 1300 and the lower end surface of the large diameter portion 1530 of the resin member 1500. Is pinched. The annular seal 1520 is coaxially fitted in a groove 1531 formed in an annular shape at an axially intermediate portion of the large diameter portion 1530 of the resin member 1500, and the peripheral wall 1120 of the cylindrical body 1100 and the bottom surface of the annular groove 1531 It is sandwiched in an airtight manner.

負側接続端子1600は、クランク状のターミナルからなるもので、この負側接続端子1600は、その中間部位1610及び先端部位1620にて、樹脂部材1500の上面から外周面にかけてL字状に形成した凹所1550内に収容されている。ここで、当該負側接続端子1600は、その先端部位1620の中間部位に形成した凸状湾曲部1621にて、筒体1100の周壁1120に当接して、筒体1100に電気的に接続されている。   The negative side connection terminal 1600 is composed of a crank-shaped terminal, and the negative side connection terminal 1600 is formed in an L shape from the upper surface to the outer peripheral surface of the resin member 1500 at the intermediate portion 1610 and the tip portion 1620 thereof. Housed in a recess 1550. Here, the negative connection terminal 1600 is in contact with the peripheral wall 1120 of the cylindrical body 1100 at the convex curved portion 1621 formed at the intermediate portion of the distal end portion 1620 and is electrically connected to the cylindrical body 1100. Yes.

また、正側接続端子1700は、略L字状のターミナルからなるもので、この正側接続端子1700は、樹脂部材1500の貫通穴部1560及び凹所1570内に図1にて示すごとく挿通して収容されている。ここで、当該正側接続端子1700は、その脚部1710にて、凹所1570内に位置して上側支持部材1300の上側電極層1370に当接して電気的に接続されている。   Further, the positive side connection terminal 1700 is a substantially L-shaped terminal, and the positive side connection terminal 1700 is inserted into the through hole 1560 and the recess 1570 of the resin member 1500 as shown in FIG. Is contained. Here, the positive side connection terminal 1700 is located in the recess 1570 at the leg portion 1710 and is in contact with and electrically connected to the upper electrode layer 1370 of the upper support member 1300.

なお、上述した貫通穴部1560は、樹脂部材1500に同軸的に形成されている。また、凹所1570は、樹脂部材1500の下端部にて、貫通穴部1560とL字状に連通形成されている。また、本第1実施形態では、酸素ガスセンサ1000において、筒体1100以外の各構成部材は、図2にて図示下側に位置する下側支持部材1200から図示上側に位置する負側接続端子にかけて、順次、筒体1100内に収容される。   The above-described through hole 1560 is formed coaxially with the resin member 1500. The recess 1570 is formed in communication with the through hole 1560 in an L shape at the lower end of the resin member 1500. Further, in the first embodiment, in the oxygen gas sensor 1000, the constituent members other than the cylindrical body 1100 extend from the lower support member 1200 located on the lower side in the drawing to the negative connection terminal located on the upper side in the drawing in FIG. These are sequentially accommodated in the cylinder 1100.

検出制御回路2000は、図1にて示すごとく、操作スイッチ2100及び可変直流電源2200を備えており、可変直流電源2200は直流電圧を発生する。この直流電圧は、可変直流電源2200の電圧調整により変化する。ここで、当該可変直流電源2200は、その正側端子にて、直流電流計2300を介し正側電極1700にそのリード線1720を通り接続されており、この可変直流電源2200の負側端子は、操作スイッチ2100を介し負側電極1600にそのリード線1630を通り接続されている。   As shown in FIG. 1, the detection control circuit 2000 includes an operation switch 2100 and a variable DC power source 2200, and the variable DC power source 2200 generates a DC voltage. This DC voltage is changed by adjusting the voltage of the variable DC power supply 2200. Here, the variable DC power supply 2200 is connected to the positive electrode 1700 through the lead wire 1720 via the DC ammeter 2300 at the positive terminal thereof, and the negative terminal of the variable DC power supply 2200 is The lead wire 1630 is connected to the negative electrode 1600 via the operation switch 2100.

このように構成した本第1実施形態において、当該酸素ガス検出装置による酸素ガスの検出例について説明する。酸素ガスセンサ1000を被測定雰囲気内に配設すると、この被測定雰囲気内の被測定ガスが筒体1100内に各流入口部1121及び流入口部1111から流入する。   In the first embodiment configured as described above, an example of oxygen gas detection by the oxygen gas detection device will be described. When the oxygen gas sensor 1000 is disposed in the atmosphere to be measured, the gas to be measured in the atmosphere to be measured flows into the cylindrical body 1100 from each inlet portion 1121 and the inlet portion 1111.

しかして、被測定ガスが上述のように筒体1100内に各流入口部1121から流入すると、この被測定ガスは、拡散部材1440により拡散されて正側電極1420に流入する。一方、被測定ガスが上述のように筒体1100内に流入口部1111から流入すると、この被測定ガスは、下側支持部材1200の拡散律速孔部1280を通り負側電極1430に流入する。   Thus, when the gas to be measured flows into the cylindrical body 1100 from each inflow port 1121 as described above, the gas to be measured is diffused by the diffusion member 1440 and flows into the positive electrode 1420. On the other hand, when the gas to be measured flows into the cylindrical body 1100 from the inlet portion 1111 as described above, the gas to be measured flows into the negative electrode 1430 through the diffusion limiting hole portion 1280 of the lower support member 1200.

このような状態において、操作スイッチ2100をオンすると、可変直流電源2200が、直流電流計2300を介し、直流電圧を酸素ガスセンサ1000の正側接続端子1700と負側接続端子1600との間に印加する。このことは、可変直流電源2200からの直流電圧が、センサ素子1400の正側電極1420と負側電極1430との間に印加されることを意味する。   In this state, when the operation switch 2100 is turned on, the variable DC power supply 2200 applies a DC voltage between the positive connection terminal 1700 and the negative connection terminal 1600 of the oxygen gas sensor 1000 via the DC ammeter 2300. . This means that a DC voltage from the variable DC power source 2200 is applied between the positive electrode 1420 and the negative electrode 1430 of the sensor element 1400.

すると、上述のように正側電極1420に流入する被測定ガス中の水蒸気が、上述した正側電極1420と負側電極1430との間への印加直流電圧に基づき、正側電極1420上にて電気分解されてプロトンを生成する。これに伴い、当該プロトンは、プロトン伝導層1410の伝導作用のもと負側電極1430に汲み出され、水素ガスとして生成される。   Then, as described above, the water vapor in the gas to be measured flowing into the positive electrode 1420 is generated on the positive electrode 1420 based on the DC voltage applied between the positive electrode 1420 and the negative electrode 1430 described above. Electrolyzed to produce protons. Accordingly, the proton is pumped out to the negative electrode 1430 under the conduction action of the proton conduction layer 1410 and is generated as hydrogen gas.

このとき、上述のようなプロトンの汲み出しに伴い生ずる直流電流が、センサ素子1400の正側電極1420、プロトン伝導層1410及び負側電極1430、下側支持部材1200の上側電極層1270、上側基板1230のスルーホール1231、中間側電極層1260、中間側基板1220のスルーホール1221、中間側電極層1250、下側基板1210のスルーホール1211及び下側電極層1240、筒体1100、負側接続端子1600、操作スイッチ2100、可変直流電源2200、直流電流計2300、正側接続端子1600、上側支持部材1300の上側電極層1370、上側基板1340のスルーホール1341、中間側電極層1360、スルーホール1331及び下側電極層1350並びに拡散部材1440を通り正側電極1420に流れる。   At this time, the direct current generated by pumping out protons as described above is the positive electrode 1420 of the sensor element 1400, the proton conductive layer 1410 and the negative electrode 1430, the upper electrode layer 1270 of the lower support member 1200, and the upper substrate 1230. Through hole 1231, intermediate electrode layer 1260, through hole 1221 in intermediate substrate 1220, intermediate electrode layer 1250, through hole 1211 and lower electrode layer 1240 in lower substrate 1210, cylinder 1100, negative connection terminal 1600 , Operation switch 2100, variable DC power supply 2200, DC ammeter 2300, positive side connection terminal 1600, upper electrode layer 1370 of upper support member 1300, through hole 1341 of upper substrate 1340, intermediate electrode layer 1360, through hole 1331 and lower Side electrode layer 1350 and diffusion member 1440 As flows to the positive electrode 1420.

現段階において、上述のように負側電極1430に流入する被測定ガス中に酸素ガスが含まれていると、この酸素ガスが、負側電極1430上において、上述のように生成した水素ガスと反応して消費されて水蒸気となる。このため、負側電極1430上における上記生成による水素ガスの濃度の増大が抑制される。   At this stage, if oxygen gas is contained in the gas to be measured flowing into the negative electrode 1430 as described above, the oxygen gas is generated on the negative electrode 1430 with the hydrogen gas generated as described above. It reacts and is consumed to become water vapor. For this reason, an increase in the concentration of hydrogen gas due to the generation on the negative electrode 1430 is suppressed.

ここで、上述のように正側電極1420と負側電極1430との間に印加する直流電圧(以下、印加電圧ともいう)を、可変直流電源2200の電圧調整でもって、増大していくと、上述のように正側電極1420上で生成されて負側電極1430に汲み出されるプロトンの量が増大する。これに伴い、上述のように負側電極1430上において生成される水素ガスの量も増大する。   Here, as described above, when the DC voltage applied between the positive electrode 1420 and the negative electrode 1430 (hereinafter also referred to as applied voltage) is increased by adjusting the voltage of the variable DC power supply 2200, As described above, the amount of protons generated on the positive electrode 1420 and pumped to the negative electrode 1430 increases. Accordingly, the amount of hydrogen gas generated on the negative electrode 1430 increases as described above.

すると、上述のように拡散律速孔部1280を通り負側電極1430に流入する被測定ガス中の酸素ガスが、上述のように負側電極1430上において増大する生成水素ガスと反応して消費される。そして、このように消費された時点において、酸素ガスとは未反応の水素ガスが、負側電極1430上において余るようになる。その結果、負側電極1430上の水素ガスの濃度が急激に上昇する。   Then, as described above, the oxygen gas in the measurement gas flowing into the negative electrode 1430 through the diffusion rate controlling hole 1280 reacts with the generated hydrogen gas increasing on the negative electrode 1430 as described above and is consumed. The Then, when consumed in this way, hydrogen gas that has not reacted with oxygen gas remains on the negative electrode 1430. As a result, the concentration of hydrogen gas on the negative electrode 1430 increases rapidly.

これに伴い、正側電極1420上の水素ガスの濃度と負側電極1430上の水素ガスの濃度との間において差が生じ、この水素ガスの濃度の差が正側電極1420と負側電極1430との間に電圧を発生させる。   Accordingly, a difference occurs between the concentration of hydrogen gas on the positive electrode 1420 and the concentration of hydrogen gas on the negative electrode 1430, and this difference in hydrogen gas concentration is the difference between the positive electrode 1420 and the negative electrode 1430. A voltage is generated between

ここで、このように発生する電圧は上記印加電圧に対し逆極性を有する。このことは、上述のように正側電極1420と負側電極1430との間に発生する電圧は、可変直流電源2200からの直流電圧に対し逆起電力として作用することを意味する。このため、正側電極1420と負側電極1430との間に実質的に印加される電圧は、可変直流電源2200からの直流電圧から上記逆起電力を減じた電圧に減少することとなる。   Here, the voltage thus generated has a reverse polarity with respect to the applied voltage. This means that the voltage generated between the positive electrode 1420 and the negative electrode 1430 as described above acts as a counter electromotive force on the DC voltage from the variable DC power supply 2200. For this reason, the voltage substantially applied between the positive electrode 1420 and the negative electrode 1430 is reduced to a voltage obtained by subtracting the counter electromotive force from the DC voltage from the variable DC power supply 2200.

これに伴い、正側電極1420から負側電極1430に流れる電流の増大も抑制される。その結果、当該電流が飽和する。このような状態における上記電流は、拡散律速孔部1280を通り流入する酸素ガスの量、即ち、当該酸素ガスの濃度に比例する。   Accordingly, an increase in current flowing from the positive electrode 1420 to the negative electrode 1430 is also suppressed. As a result, the current is saturated. The current in such a state is proportional to the amount of oxygen gas flowing through the diffusion rate limiting hole 1280, that is, the concentration of the oxygen gas.

従って、正側電極1420から負側電極1430に流れる電流を飽和させるに十分な直流電圧が、可変直流電源2200でもって、正側電極1420と負側電極1430との間に印加されれば、正側電極1420から負側電極1430に流れる電流を直流電流計2300でもって測定することで、被測定ガス中の酸素ガスの濃度が精度よく検出され得る。   Therefore, if a DC voltage sufficient to saturate the current flowing from the positive electrode 1420 to the negative electrode 1430 is applied between the positive electrode 1420 and the negative electrode 1430 with the variable DC power supply 2200, By measuring the current flowing from the side electrode 1420 to the negative side electrode 1430 with the DC ammeter 2300, the concentration of oxygen gas in the gas to be measured can be accurately detected.

ここで、このような酸素ガスの濃度の精度のよい検出にあたり、上述したごとく、センサ素子1400は、プロトン伝導層としては単一のプロトン伝導層1410を有するのみでよく、酸素ガスセンサ1000を簡単な構成で提供し得る。しかも、センサ素子1400は、参照電極に依存することなく、正側電極1420及び負側電極1430の2電極構成というより一層簡単な電極構成でもって、上述のように酸素ガスの濃度を精度よく検出できる。   Here, as described above, the sensor element 1400 only needs to have a single proton conductive layer 1410 as a proton conductive layer, and the oxygen gas sensor 1000 can be simply configured. May be provided in configuration. In addition, the sensor element 1400 can detect the oxygen gas concentration with high accuracy as described above without relying on the reference electrode, and with a simpler electrode configuration of the two-electrode configuration of the positive electrode 1420 and the negative electrode 1430. it can.

また、上述のようにプロトン伝導層としては単一のプロトン伝導層1410を有するのみであるから、本明細書の冒頭にて述べたような短絡電流を測定する構成を採用する必要もなく、酸素ガス濃度の検出精度を高く維持できる。   Further, as described above, since the proton conductive layer has only a single proton conductive layer 1410, it is not necessary to employ the configuration for measuring the short-circuit current as described at the beginning of this specification, and oxygen High detection accuracy of gas concentration can be maintained.

また、上述した酸素ガスセンサ1000の構成から分かるように、下側支持部材1200、センサ素子1400及び上側支持部材1300が、その各板厚方向にて、筒体1100の底壁1110上に、順次、積層されている。そして、上側支持部材1300が、樹脂部材1500でもって、センサ素子1400及び下側支持部材1200を介し底壁1110上に押圧されている。   Further, as can be seen from the configuration of the oxygen gas sensor 1000 described above, the lower support member 1200, the sensor element 1400, and the upper support member 1300 are sequentially placed on the bottom wall 1110 of the cylindrical body 1100 in the respective plate thickness directions. Are stacked. The upper support member 1300 is pressed by the resin member 1500 onto the bottom wall 1110 via the sensor element 1400 and the lower support member 1200.

このため、センサ素子1400は、その板厚方向において、両支持部材1200、1300の間にしっかりと挟持される。その結果、当該酸素ガスセンサ1000に振動や衝撃が加わっても、センサ素子1400は、筒体1100内にて変位することなく、安定的に両支持部材1200、1300の間に支持され得る。その結果、酸素ガスセンサとしての耐震性及び耐衝撃性に優れる。   Therefore, the sensor element 1400 is firmly sandwiched between the support members 1200 and 1300 in the thickness direction. As a result, even if vibration or impact is applied to the oxygen gas sensor 1000, the sensor element 1400 can be stably supported between the support members 1200 and 1300 without being displaced in the cylindrical body 1100. As a result, it is excellent in earthquake resistance and impact resistance as an oxygen gas sensor.

また、上述のごとく、正側電極1420は、白金属金属の粉末と高分子電解質とを混合してなる材料でもって形成されているので、当該正側電極1420が被測定ガス中の水蒸気の電気分解により発生する酸素の影響を受けて酸化することを抑制し得る。このため、酸素ガスセンサ1000としての耐久性を高め得る。   In addition, as described above, the positive electrode 1420 is formed of a material obtained by mixing a white metal powder and a polymer electrolyte, so that the positive electrode 1420 is an electric current of water vapor in the gas to be measured. Oxidation due to the influence of oxygen generated by decomposition can be suppressed. For this reason, durability as the oxygen gas sensor 1000 can be improved.

ちなみに、本第1実施形態の酸素ガス検出装置を用いて、被測定ガス中の酸素ガスの濃度(以下、酸素ガス濃度ともいう)を検出してみたところ、図3のグラフにて示すような検出結果が得られた。この検出にあたり、その検出条件を次の通りとする。   Incidentally, when the oxygen gas concentration in the measurement gas (hereinafter also referred to as oxygen gas concentration) was detected using the oxygen gas detection device of the first embodiment, as shown in the graph of FIG. A detection result was obtained. In this detection, the detection conditions are as follows.

上記被測定ガスのガス組成を、1(%)、5(%)、10(%)、15(%)或いは20(%)の酸素(O2)、20(%)の水(H2O)及び窒素(N2)とする。当該被測定ガスの温度及び流量を80(℃)及び10(リットル/分)とする。但し、正側電極1420と負側電極1430との間に印加する直流電圧を1(V)とする。 The gas composition of the measured gas is 1 (%), 5 (%), 10 (%), 15 (%) or 20 (%) oxygen (O 2 ), 20 (%) water (H 2 O). ) And nitrogen (N 2 ). The temperature and flow rate of the gas to be measured are 80 (° C.) and 10 (liter / min). However, the DC voltage applied between the positive electrode 1420 and the negative electrode 1430 is 1 (V).

図3のグラフは、酸素ガスの濃度を、直流電流計2300により測定した直流電流(正側電極から負側電極に流れるポンプ電流)との関係を示す。これによれば、酸素ガスの濃度は、直流電流とほぼ正比例的な関係を有することが分かる。   The graph of FIG. 3 shows the relationship between the oxygen gas concentration and the DC current (pump current flowing from the positive electrode to the negative electrode) measured by the DC ammeter 2300. According to this, it can be seen that the concentration of oxygen gas has a substantially direct relationship with the direct current.

次に、正側電極1420と負側電極1430との間に印加する直流電圧(印加電圧)の最適な範囲を調べてみたところ、図4のグラフにて示すような測定結果が得られた。この図4のグラフは、上記印加電圧の変化範囲を、ポンプ電流との関係で示す。この測定にあたり、その測定条件は次の通りである。   Next, when the optimum range of the DC voltage (applied voltage) applied between the positive electrode 1420 and the negative electrode 1430 was examined, the measurement results shown in the graph of FIG. 4 were obtained. The graph of FIG. 4 shows the change range of the applied voltage in relation to the pump current. In this measurement, the measurement conditions are as follows.

上記被測定ガスのガス組成を、20(%)の酸素(O2)、20(%)の水(H2O)及び窒素(N2)とする。当該被測定ガスの温度及び流量を、上述と同様に、80(℃)及び10(リットル/分)とする。また、上記印加電圧の変化範囲を0.5(V)〜1.6(V)の範囲以内とする。 The gas composition of the measurement gas is 20 (%) oxygen (O 2 ), 20 (%) water (H 2 O), and nitrogen (N 2 ). The temperature and flow rate of the gas to be measured are set to 80 (° C.) and 10 (liter / minute) in the same manner as described above. The change range of the applied voltage is set within a range of 0.5 (V) to 1.6 (V).

当該図4のグラフによれば、上記印加電圧が0.7(V)未満のときには、当該印加電圧はポンプ電流と共に増大することが分かる。これは次の理由による。即ち、上記印加電圧が0.7(V)未満のときには、負側電極1430上で生成した水素ガスの濃度が、拡散律速孔部1280を通り流入する酸素ガスの濃度よりも低い。このため、水素ガスとの未反応の酸素ガスが負側電極1430上において余る。従って、このような状態におけるポンプ電流は、酸素ガスの濃度には反映しにくく、その結果、上述のように印加電圧はポンプ電流と共に増大するからである。   According to the graph of FIG. 4, it can be seen that when the applied voltage is less than 0.7 (V), the applied voltage increases with the pump current. This is due to the following reason. That is, when the applied voltage is less than 0.7 (V), the concentration of hydrogen gas generated on the negative electrode 1430 is lower than the concentration of oxygen gas flowing in through the diffusion rate controlling hole 1280. For this reason, unreacted oxygen gas with hydrogen gas remains on the negative electrode 1430. Therefore, the pump current in such a state is hardly reflected in the concentration of oxygen gas, and as a result, the applied voltage increases with the pump current as described above.

また、上記印加電圧が1.4(V)よりも増大するときには、上記印加電圧はポンプ電流と共に増大することが分かる。これは次の理由による。即ち、上記印加電圧が、正側電極1420及び負側電極1430の間の水素ガスの濃度の差に起因して生ずる電圧よりも高い場合には、ポンプ電流は上記印加電圧と共に増大する。このような状態では、負側電極1430上の水素ガスの量が、拡散律速孔部1280を通り流入する酸素ガスの量よりも多くなるため、ポンプ電流は酸素ガスの濃度には反映しにくいからである。   It can also be seen that when the applied voltage increases above 1.4 (V), the applied voltage increases with the pump current. This is due to the following reason. That is, when the applied voltage is higher than the voltage generated due to the difference in hydrogen gas concentration between the positive electrode 1420 and the negative electrode 1430, the pump current increases with the applied voltage. In such a state, since the amount of hydrogen gas on the negative electrode 1430 is larger than the amount of oxygen gas flowing in through the diffusion rate controlling hole portion 1280, the pump current is difficult to reflect on the concentration of oxygen gas. It is.

また、当該印加電圧が0.7(V)〜1.4(V)の範囲以内にあるとき、ポンプ電流は殆ど変化せず飽和していることが分かる。これは次の理由による。即ち、負側電極1430上の水素ガスの濃度が増大し、正側電極1420及び負側電極1430の間の水素ガスの濃度の差に起因して生ずる電圧が逆起電力として上記印加電圧に作用する。このため、正側電極1420と負側電極1430との間に印加される実質上の印加電圧が増大しないからである。換言すれば、拡散律速孔部1280から流入する酸素ガスが負側電極1430上において水素ガスと反応して全て消費されるからである。   Moreover, when the said applied voltage exists in the range of 0.7 (V)-1.4 (V), it turns out that a pump electric current hardly changes and is saturated. This is due to the following reason. That is, the concentration of hydrogen gas on the negative electrode 1430 increases, and the voltage generated due to the difference in hydrogen gas concentration between the positive electrode 1420 and the negative electrode 1430 acts on the applied voltage as a back electromotive force. To do. For this reason, the substantially applied voltage applied between the positive electrode 1420 and the negative electrode 1430 does not increase. In other words, the oxygen gas flowing from the diffusion-controlling hole 1280 reacts with the hydrogen gas on the negative electrode 1430 and is all consumed.

以上より、上記印加電圧を0.7(V)〜1.4(V)の範囲以内の電圧に調整すれば、このような電圧が、上述した正側電極1420から負側電極1430に流れる電流を飽和させるに十分な直流電圧に相当することが分かる。   From the above, if the applied voltage is adjusted to a voltage within the range of 0.7 (V) to 1.4 (V), such a voltage causes a current flowing from the positive electrode 1420 to the negative electrode 1430 described above. It can be seen that this corresponds to a DC voltage sufficient to saturate.

従って、0.7(V)〜1.4(V)の範囲以内の電圧を上記印加電圧として正側電極1420と負側電極1430との間に印加することで、正側電極1420と負側電極1430との間に流れるポンプ電流を、直流電流計2300により測定すれば、上記被測定ガス中の酸素ガスの濃度を精度よく検出できる。
(第2実施形態)
次に、本発明に係る酸素ガス検出装置の第2実施形態について図5〜図7を参照して説明する。この第2実施形態では、図5にて示すごとく、上記第1実施形態にて述べた酸素ガス検出装置において、検出制御回路2000に代えて、検出制御回路3000を採用した構成となっている。
Therefore, by applying a voltage within the range of 0.7 (V) to 1.4 (V) between the positive side electrode 1420 and the negative side electrode 1430 as the applied voltage, the positive side electrode 1420 and the negative side electrode 1420 are applied. When the pump current flowing between the electrodes 1430 is measured by the DC ammeter 2300, the concentration of oxygen gas in the gas to be measured can be detected with high accuracy.
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment of the oxygen gas detection device according to the present invention will be described with reference to FIGS. In the second embodiment, as shown in FIG. 5, the oxygen gas detection device described in the first embodiment employs a detection control circuit 3000 instead of the detection control circuit 2000.

検出制御回路3000は、駆動回路3010と、この駆動回路3010により駆動される半導体スイッチ回路3020とを備えている。駆動回路3010は、パルス発生回路からなるもので、この駆動回路3010は、所定周期にて駆動パルス信号を発生して半導体スイッチ回路3020に出力する。   The detection control circuit 3000 includes a drive circuit 3010 and a semiconductor switch circuit 3020 driven by the drive circuit 3010. The drive circuit 3010 includes a pulse generation circuit. The drive circuit 3010 generates a drive pulse signal at a predetermined cycle and outputs the drive pulse signal to the semiconductor switch circuit 3020.

半導体スイッチ回路3020は、その切り替え作動に伴い、固定端子3021を両切り替え端子3022、3023に交互に電子的に接続するように構成されている。しかして、この半導体スイッチ回路3020は、駆動回路3010から順次出力されるパルス駆動信号に基づき、切り替え作動する。   The semiconductor switch circuit 3020 is configured to electronically connect the fixed terminal 3021 to both of the switching terminals 3022 and 3023 in accordance with the switching operation. Therefore, the semiconductor switch circuit 3020 performs switching operation based on the pulse drive signals sequentially output from the drive circuit 3010.

具体的には、当該パルス駆動信号がローレベルL(図6参照)になると、半導体スイッチ回路3020は、固定端子3021を切り替え端子3022に接続する。換言すれば、当該半導体スイッチ回路3020は、切り替え端子3022にて直流電流計3040を介し差動増幅器3050に接続されて、この差動増幅器3050から出力される差動増幅電圧を、固定端子3021及び操作スイッチ3030を通し酸素ガスセンサ1000の正側接続端子1700と負側接続端子1600との間に印加する。   Specifically, when the pulse drive signal becomes a low level L (see FIG. 6), the semiconductor switch circuit 3020 connects the fixed terminal 3021 to the switching terminal 3022. In other words, the semiconductor switch circuit 3020 is connected to the differential amplifier 3050 via the DC ammeter 3040 at the switching terminal 3022, and the differential amplification voltage output from the differential amplifier 3050 is transferred to the fixed terminal 3021 and The voltage is applied between the positive connection terminal 1700 and the negative connection terminal 1600 of the oxygen gas sensor 1000 through the operation switch 3030.

また、上記パルス駆動信号がハイレベルH(図6参照)になると、半導体スイッチ回路3020は、固定端子3021を切り替え端子3023に接続する。換言すれば、半導体スイッチ回路3020は、酸素ガスセンサ1000の正側接続端子1700からの直流電圧を操作スイッチ3030を通し入力されてコンデンサ3060に印加する。本第2実施形態において、上記パルス駆動信号のハイレベル幅及びローレベル幅に対応する各時間は、それぞれ、例えば、0.1(msec)及び2(msec)である(図6参照)。   When the pulse drive signal becomes high level H (see FIG. 6), the semiconductor switch circuit 3020 connects the fixed terminal 3021 to the switching terminal 3023. In other words, the semiconductor switch circuit 3020 inputs a DC voltage from the positive connection terminal 1700 of the oxygen gas sensor 1000 through the operation switch 3030 and applies it to the capacitor 3060. In the second embodiment, each time corresponding to the high level width and the low level width of the pulse drive signal is, for example, 0.1 (msec) and 2 (msec) (see FIG. 6).

ここで、当該半導体スイッチ回路3020は、その固定端子3021にて、操作スイッチ3030を介し酸素ガスセンサ1000の正側接続端子1700にそのリード線1720を通り接続されている。また、当該半導体スイッチ回路3020は、その切り替え端子3022にて、直流電流計3040を介し差動増幅器3050の出力端子に接続されており、この半導体スイッチ回路3020の切り替え端子3023は、コンデンサ3060を介し接地されている。   Here, the semiconductor switch circuit 3020 is connected to the positive connection terminal 1700 of the oxygen gas sensor 1000 through the lead wire 1720 via the operation switch 3030 at the fixed terminal 3021. The semiconductor switch circuit 3020 is connected to the output terminal of the differential amplifier 3050 via the DC ammeter 3040 at the switching terminal 3022. The switching terminal 3023 of the semiconductor switch circuit 3020 is connected via the capacitor 3060. Grounded.

差動増幅器3050は、可変基準電源3070からの基準電圧Vref(図6にて符号3071参照)とコンデンサ3060の端子電圧Vc(以下、コンデンサ電圧Vcともいい、図6にて符号3061参照)との差を差動増幅し差動増幅電圧Vdif(図6にて符号3051参照)として直流電流計3040を介し半導体スイッチ回路3020の切り替え端子3022に出力する。   The differential amplifier 3050 includes a reference voltage Vref (refer to reference numeral 3071 in FIG. 6) from the variable reference power supply 3070 and a terminal voltage Vc of the capacitor 3060 (hereinafter also referred to as capacitor voltage Vc; refer to reference numeral 3061 in FIG. 6). The difference is differentially amplified and output to the switching terminal 3022 of the semiconductor switch circuit 3020 via the DC ammeter 3040 as a differential amplified voltage Vdif (see reference numeral 3051 in FIG. 6).

可変基準電源3070は、その電圧調整に応じた直流電圧を基準電圧Vrefとして出力する。コンデンサ3060は、酸素ガスセンサ1000からの直流電圧を、半導体スイッチ回路3020の切り替え端子3023から印加されて充電される。また、当該コンデンサ3060は、半導体スイッチ回路3020の固定端子3021と切り替え端子3022との接続の際、即ち、切り替え端子3023の固定端子3021からの遮断の際に、差動増幅器3050を通して放電する。   The variable reference power supply 3070 outputs a DC voltage corresponding to the voltage adjustment as the reference voltage Vref. The capacitor 3060 is charged by applying the DC voltage from the oxygen gas sensor 1000 from the switching terminal 3023 of the semiconductor switch circuit 3020. The capacitor 3060 discharges through the differential amplifier 3050 when the fixed terminal 3021 and the switching terminal 3022 of the semiconductor switch circuit 3020 are connected, that is, when the switching terminal 3023 is disconnected from the fixed terminal 3021.

本第2実施形態において、コンデンサ3060の静電容量と半導体スイッチ回路3020が固定端子3021を切り替え端子3023と接続させている状態で、コンデンサ3060、半導体スイッチ回路3020及び酸素ガスセンサ1000の間で形成される充電時定数は小さい。また、半導体スイッチ回路3020が固定端子3021を切り替え端子3023から遮断させている状態で、コンデンサ3060及び差動増幅器3050とで形成される放電時定数は、上記充電時定数に比べて、かなり大きい。その他の構成は、上記第2実施形態と同様である。   In the second embodiment, the capacitance of the capacitor 3060 and the semiconductor switch circuit 3020 are formed between the capacitor 3060, the semiconductor switch circuit 3020, and the oxygen gas sensor 1000 in a state where the fixed terminal 3021 is connected to the switching terminal 3023. The charging time constant is small. Further, the discharge time constant formed by the capacitor 3060 and the differential amplifier 3050 in a state where the semiconductor switch circuit 3020 blocks the fixed terminal 3021 from the switching terminal 3023 is considerably larger than the charge time constant. Other configurations are the same as those of the second embodiment.

このように構成した本第2実施形態において、酸素ガスセンサ1000を上記第1実施形態と同様に被測定雰囲気内に配設する。これに伴い、被測定雰囲気中の被測定ガスは、筒体1100内に各流入口部1121から流入した後、拡散部材1440により拡散されて正側電極1420に流入する。一方、当該被測定ガスは、筒体1100内に流入口部1111から流入した後、下側支持部材1200の拡散律速孔部1280を通り負側電極1430に流入する。   In the second embodiment configured as described above, the oxygen gas sensor 1000 is disposed in the measured atmosphere in the same manner as in the first embodiment. Along with this, the gas to be measured in the atmosphere to be measured flows from the respective inlet portions 1121 into the cylindrical body 1100, is diffused by the diffusion member 1440, and flows into the positive electrode 1420. On the other hand, the gas to be measured flows into the cylindrical body 1100 from the inlet portion 1111, and then flows into the negative electrode 1430 through the diffusion limiting hole 1280 of the lower support member 1200.

このような状態において、操作スイッチ3030がオフ状態にあって駆動回路3010の停止のもとコンデンサ3060が放電完了状態にあれば、可変基準電源3070からの基準電圧Vrefはコンデンサ3060の端子電圧であるコンデンサ電圧Vcよりも高く、基準電圧Vrefとコンデンサ電圧Vcとの差は最大となっている(図6参照)。   In such a state, if the operation switch 3030 is in an off state and the capacitor 3060 is in a discharge completed state with the drive circuit 3010 stopped, the reference voltage Vref from the variable reference power supply 3070 is the terminal voltage of the capacitor 3060. It is higher than the capacitor voltage Vc, and the difference between the reference voltage Vref and the capacitor voltage Vc is the maximum (see FIG. 6).

従って、このような基準電圧Vrefとコンデンサ電圧Vcとの差が差動増幅器3050により差動増幅されて差動増幅電圧として直流電流計3040を通して半導体スイッチ回路3020に出力される。   Therefore, the difference between the reference voltage Vref and the capacitor voltage Vc is differentially amplified by the differential amplifier 3050 and output to the semiconductor switch circuit 3020 through the DC ammeter 3040 as a differentially amplified voltage.

このような段階にて、操作スイッチ3030をオンするとともに、駆動回路3010を作動させると、操作スイッチ3030は半導体スイッチ回路3020の固定端子3021を酸素ガスセンサ1000の正側接続端子1700にそのリード線1720を介し接続するとともに、駆動回路3010はパルス駆動信号を順次半導体スイッチ回路3020に出力する。   At this stage, when the operation switch 3030 is turned on and the drive circuit 3010 is operated, the operation switch 3030 connects the fixed terminal 3021 of the semiconductor switch circuit 3020 to the positive connection terminal 1700 of the oxygen gas sensor 1000 and its lead wire 1720. And the drive circuit 3010 sequentially outputs pulse drive signals to the semiconductor switch circuit 3020.

しかして、このように駆動回路3010がパルス駆動信号を順次半導体スイッチ回路3020に出力すると、この半導体スイッチ回路3020は、駆動回路3010から順次出力されるパルス駆動信号のローレベルLへの変化に基づき、固定端子3021を切り替え端子3022に接続する。また、当該半導体スイッチ回路3020は、駆動回路3010から順次出力されるパルス駆動信号のハイレベルHへの変化に基づき、固定端子3021を切り替え端子3023に接続する。   Thus, when the drive circuit 3010 sequentially outputs the pulse drive signal to the semiconductor switch circuit 3020 in this way, the semiconductor switch circuit 3020 is based on the change of the pulse drive signal sequentially output from the drive circuit 3010 to the low level L. The fixed terminal 3021 is connected to the switching terminal 3022. Further, the semiconductor switch circuit 3020 connects the fixed terminal 3021 to the switching terminal 3023 based on the change of the pulse drive signal sequentially output from the drive circuit 3010 to the high level H.

換言すれば、半導体スイッチ回路3020は、上記パルス駆動信号のローレベルLへの変化毎に、差動増幅器3050の出力端子を直流電流計3040及び操作スイッチ3030を介し酸素ガスセンサ1000の正側接続端子1700に接続するとともにコンデンサ3060の正側端子を操作スイッチ3030から遮断する。また、半導体スイッチ回路3020は、上記パルス駆動信号のハイレベルHへの変化毎に、コンデンサ3060の正側端子を操作スイッチ3030を介し正側接続端子1700に接続するとともに差動増幅器3050の出力端子を操作スイッチ3030から遮断する。   In other words, the semiconductor switch circuit 3020 connects the output terminal of the differential amplifier 3050 to the positive connection terminal of the oxygen gas sensor 1000 via the DC ammeter 3040 and the operation switch 3030 every time the pulse drive signal changes to a low level L. 1700 and the positive terminal of the capacitor 3060 are disconnected from the operation switch 3030. The semiconductor switch circuit 3020 connects the positive terminal of the capacitor 3060 to the positive connection terminal 1700 via the operation switch 3030 and outputs the differential amplifier 3050 each time the pulse drive signal changes to the high level H. Is disconnected from the operation switch 3030.

従って、駆動回路3010から順次出力されるパルス駆動信号がローレベルLになる毎に、差動増幅器3050から上述のように出力される差動増幅電圧は、直流電流計3040、半導体スイッチ回路3020の切り替え端子3022及び固定端子3021並びに操作スイッチ3030を通り酸素ガスセンサ1000の正側接続端子1700と負側接続端子1600との間に印加される。このことは、駆動回路3010から順次出力されるパルス駆動信号がローレベルLになる毎に、差動増幅器3050から出力される差動増幅電圧はセンサ素子1400の正側電極1420と負側電極1430との間に印加されることを意味する。   Therefore, every time the pulse drive signal sequentially output from the drive circuit 3010 becomes the low level L, the differential amplification voltage output from the differential amplifier 3050 as described above is the DC ammeter 3040 and the semiconductor switch circuit 3020. The voltage is applied between the positive side connection terminal 1700 and the negative side connection terminal 1600 of the oxygen gas sensor 1000 through the switching terminal 3022, the fixed terminal 3021 and the operation switch 3030. This is because each time the pulse drive signal sequentially output from the drive circuit 3010 becomes a low level L, the differential amplification voltage output from the differential amplifier 3050 is the positive side electrode 1420 and the negative side electrode 1430 of the sensor element 1400. It is applied between.

従って、上述のように差動増幅器3050からの差動増幅電圧がセンサ素子1400の正側電極1420と負側電極1430との間に印加される毎に、正側電極1420に上述のように流入する被測定ガス中の水蒸気が、正側電極1420上にて電気分解されてプロトンを生成する。これに伴い、当該プロトンは、プロトン伝導層1410の伝導作用のもと負側電極1430に汲み出され、水素ガスとして生成される。   Therefore, whenever the differential amplification voltage from the differential amplifier 3050 is applied between the positive electrode 1420 and the negative electrode 1430 of the sensor element 1400 as described above, it flows into the positive electrode 1420 as described above. The water vapor in the gas to be measured is electrolyzed on the positive electrode 1420 to generate protons. Accordingly, the proton is pumped out to the negative electrode 1430 under the conduction action of the proton conduction layer 1410 and is generated as hydrogen gas.

このとき、上述のようなプロトンの汲み出しに伴い生ずる直流電流が、センサ素子1400の正側電極1420、プロトン伝導層1410及び負側電極1430、下側支持部材1200並びに筒体1100を通り流れる。   At this time, a direct current generated by pumping out protons as described above flows through the positive electrode 1420, the proton conductive layer 1410 and the negative electrode 1430, the lower support member 1200, and the cylinder 1100 of the sensor element 1400.

現段階においては、上述のごとく、基準電圧Vrefとコンデンサ電圧Vcとの差が最大となっていることから、上述のように正側電極1420上で生成されて負側電極1430に汲み出されるプロトンの量が多い。これに伴い、上述のように負側電極1430上において生成される水素ガスの量も多い。   At the present stage, as described above, since the difference between the reference voltage Vref and the capacitor voltage Vc is the maximum, the proton generated on the positive electrode 1420 and pumped to the negative electrode 1430 as described above. There is a lot of. Accordingly, the amount of hydrogen gas generated on the negative electrode 1430 is also large as described above.

このような状態では、上記第1実施形態と同様に拡散律速孔部1280を通り負側電極1430に流入する被測定ガス中の酸素ガスが、上述のように負側電極1430上において多量に生成される水素ガスと反応して消費される。そして、このように消費された時点において、酸素ガスとは未反応の水素ガスが、負側電極1430上において余るようになる。その結果、負側電極1430上の水素ガスの濃度が急激に上昇する。   In such a state, a large amount of oxygen gas in the measurement gas flowing into the negative electrode 1430 through the diffusion rate controlling hole 1280 is generated on the negative electrode 1430 as described above, as in the first embodiment. It reacts with hydrogen gas and is consumed. Then, when consumed in this way, hydrogen gas that has not reacted with oxygen gas remains on the negative electrode 1430. As a result, the concentration of hydrogen gas on the negative electrode 1430 increases rapidly.

これに伴い、正側電極1420上の水素ガスの濃度と負側電極1430上の水素ガスの濃度との間において差が生じ、この水素ガスの濃度の差が正側電極1420と負側電極1430との間に電圧を発生させる。ここで、このように発生する電圧は上記差動増幅電圧に対し逆極性を有する。このことは、上述のように正側電極1420と負側電極1430との間に発生する電圧は、差動増幅器3050からの差動増幅電圧に対し逆起電力として作用することを意味する。このため、正側電極1420と負側電極1430との間に実質的に印加される電圧は、差動増幅器3050の差動増幅電圧から上記逆起電力を減じた電圧に減少することとなる。   Accordingly, a difference occurs between the concentration of hydrogen gas on the positive electrode 1420 and the concentration of hydrogen gas on the negative electrode 1430, and this difference in hydrogen gas concentration is the difference between the positive electrode 1420 and the negative electrode 1430. A voltage is generated between Here, the voltage generated in this way has a reverse polarity with respect to the differential amplification voltage. This means that the voltage generated between the positive side electrode 1420 and the negative side electrode 1430 as described above acts as a counter electromotive force on the differential amplification voltage from the differential amplifier 3050. Therefore, the voltage substantially applied between the positive electrode 1420 and the negative electrode 1430 is reduced to a voltage obtained by subtracting the counter electromotive force from the differential amplification voltage of the differential amplifier 3050.

また、上述のように正側電極1420と負側電極1430との間に生ずる電圧は、上述のごとく駆動回路3010からのパルス駆動信号がハイレベルHに変化する毎に、コンデンサ3060に印加されて当該コンデンサ3060を充電する。このため、コンデンサ3060は、上述のように正側電極1420と負側電極1430との間に生ずる水素ガスの濃度の差に対応する電圧に応じたコンデンサ電圧Vcを発生する。なお、コンデンサ3060のコンデンサ電圧Vcは、上述のようにパルス駆動信号がハイレベルHになる毎に、当該ハイレベルHに対応する時間の経過前において、急激に増大する(図6参照)。   Further, as described above, the voltage generated between the positive electrode 1420 and the negative electrode 1430 is applied to the capacitor 3060 every time the pulse drive signal from the drive circuit 3010 changes to the high level H as described above. The capacitor 3060 is charged. Therefore, the capacitor 3060 generates the capacitor voltage Vc corresponding to the voltage corresponding to the difference in hydrogen gas concentration generated between the positive electrode 1420 and the negative electrode 1430 as described above. Note that the capacitor voltage Vc of the capacitor 3060 increases abruptly before the time corresponding to the high level H elapses every time the pulse drive signal becomes the high level H as described above (see FIG. 6).

以上のような動作を繰り返すことで、コンデンサ電圧Vcは、図6にて示すごとく、階段状に増大しながら可変基準電源3070の基準電圧Vrefに近づくように増大していく。これに伴い、差動増幅器3050から出力される差動増幅電圧Vdifが、図6にて示すごとく、階段状に減少していく。従って、正側電極1420から負側電極1430に汲み出される水素ガスの量が階段状に飽和し、両電極1420、1430上の各水素ガスの濃度の差が一定となる。   By repeating the above operation, the capacitor voltage Vc increases so as to approach the reference voltage Vref of the variable reference power supply 3070 while increasing stepwise as shown in FIG. As a result, the differential amplification voltage Vdif output from the differential amplifier 3050 decreases stepwise as shown in FIG. Accordingly, the amount of hydrogen gas pumped from the positive electrode 1420 to the negative electrode 1430 is saturated stepwise, and the difference in concentration of the hydrogen gas on both electrodes 1420 and 1430 becomes constant.

換言すれば、差動増幅器3050から酸素ガスセンサ1000への差動増幅電圧が、コンデンサ電圧Vcを基準電圧Vrefに維持するように、即ち、正側電極1420上の水素ガスの濃度を一定にするように制御される。これに伴い、正側電極1420から負側電極1430に流れる電流の増大も抑制される。その結果、当該電流が飽和する。このような状態における上記電流は、拡散律速孔部1280を通り流入する酸素ガスの量、即ち、当該酸素ガスの濃度に比例する。   In other words, the differential amplification voltage from the differential amplifier 3050 to the oxygen gas sensor 1000 maintains the capacitor voltage Vc at the reference voltage Vref, that is, makes the concentration of hydrogen gas on the positive electrode 1420 constant. Controlled. Accordingly, an increase in current flowing from the positive electrode 1420 to the negative electrode 1430 is also suppressed. As a result, the current is saturated. The current in such a state is proportional to the amount of oxygen gas flowing through the diffusion rate limiting hole 1280, that is, the concentration of the oxygen gas.

従って、正側電極1420から負側電極1430に流れる電流を飽和させるに十分な差動増幅電圧が、差動増幅器3050でもって、正側電極1420と負側電極1430との間に印加されれば、正側電極1420から負側電極1430に流れる電流を直流電流計3040でもって測定することで、被測定ガス中の酸素ガスの濃度が精度よく検出され得る。   Therefore, if a differential amplification voltage sufficient to saturate the current flowing from the positive electrode 1420 to the negative electrode 1430 is applied between the positive electrode 1420 and the negative electrode 1430 with the differential amplifier 3050. By measuring the current flowing from the positive electrode 1420 to the negative electrode 1430 with the DC ammeter 3040, the concentration of oxygen gas in the gas to be measured can be detected with high accuracy.

以上述べたことから理解されるように、正側電極1420と負側電極1430との間に生ずる電圧を一定の電圧(基準電圧Vref)に維持するように、コンデンサ3060の充電制御のもと、差動増幅器3050の差動増幅電圧を、被測定ガス中の酸素ガスの濃度の増大或いは減少に応じて増大或いは減少させて、正側電極1420と負側電極1430との間に制御電圧として印加することで、負側電極1430上の水素ガスの濃度が一定に維持される。このため、このような状態において、正側電極1420から負側電極1430に流れる電流をポンプ電流として直流電流計3040により測定すれば、被測定ガス中の酸素ガスの濃度が精度よく検出され得る。その他の作用効果は、上記第1実施形態と同様である。   As understood from the above description, under the charge control of the capacitor 3060, the voltage generated between the positive electrode 1420 and the negative electrode 1430 is maintained at a constant voltage (reference voltage Vref). A differential amplification voltage of the differential amplifier 3050 is increased or decreased in accordance with an increase or decrease in the concentration of oxygen gas in the gas to be measured, and is applied as a control voltage between the positive electrode 1420 and the negative electrode 1430. As a result, the concentration of hydrogen gas on the negative electrode 1430 is maintained constant. For this reason, in such a state, when the current flowing from the positive side electrode 1420 to the negative side electrode 1430 is measured by the DC ammeter 3040 as a pump current, the concentration of oxygen gas in the gas to be measured can be accurately detected. Other functions and effects are the same as those of the first embodiment.

ちなみに、本第2実施形態において、可変基準電源3070の基準電圧Vrefの最適な範囲を調べたところ、図7のグラフにて示すような結果が得られた。このグラフは、基準電圧の変化範囲をポンプ電流との関係で示す。この測定にあたり、その測定条件は次の通りである。   Incidentally, in the second embodiment, when the optimum range of the reference voltage Vref of the variable reference power supply 3070 was examined, the result shown in the graph of FIG. 7 was obtained. This graph shows the change range of the reference voltage in relation to the pump current. In this measurement, the measurement conditions are as follows.

本第2実施形態においては、上記第1実施形態と同様に、被測定ガスのガス組成を、20(%)の酸素(O2)、20(%)の水(H2O)及び窒素(N2)とし、当該被測定ガスの温度及び流量を、80(℃)及び10(リットル/分)とする。但し、基準電圧Vrefの変化範囲を0.5(V)〜1.5(V)の範囲以内とする。 In the second embodiment, as in the first embodiment, the gas composition of the gas to be measured is 20 (%) oxygen (O 2 ), 20 (%) water (H 2 O), and nitrogen ( N 2 ), and the temperature and flow rate of the gas to be measured are 80 (° C.) and 10 (liter / min). However, the change range of the reference voltage Vref is set within the range of 0.5 (V) to 1.5 (V).

ここで、図7のグラフによれば、基準電圧が0.7(V)未満のときには、当該基準電圧はポンプ電流と共に増大することが分かる。これは次の理由による。即ち、基準電圧が0.7(V)未満のときには、負側電極1430上で生成される水素ガスの濃度が、拡散律速孔部1280を通り流入する酸素ガスの濃度よりも少ないため、当該水素ガスと未反応の酸素ガスが負側電極1430上において余ることとなる。従って、このときのポンプ電流は酸素ガスの濃度には反映しないため、基準電圧はポンプ電流と共に増大するからである。   Here, according to the graph of FIG. 7, when the reference voltage is less than 0.7 (V), it can be seen that the reference voltage increases with the pump current. This is due to the following reason. That is, when the reference voltage is less than 0.7 (V), the concentration of the hydrogen gas generated on the negative electrode 1430 is lower than the concentration of the oxygen gas flowing through the diffusion rate limiting hole 1280. Gas and unreacted oxygen gas are left on the negative electrode 1430. Therefore, since the pump current at this time does not reflect the oxygen gas concentration, the reference voltage increases with the pump current.

また、基準電圧が1.4(V)より増大するときには、基準電圧はポンプ電流と共に急激に増大することが分かる。これは次の理由による。即ち、正側電極1420と負側電極1430との間の水素ガスの濃度の差に起因して生ずる電圧よりも高い電圧が差動増幅器3050から差動増幅電圧として正側電極1420と負側電極1430との間に印加されているために、ポンプ電流が基準電圧と共に急激に増大する。換言すれば、このような状態では、上側支持部材1300の各流入口部1321から流入する水素ガスの量が、拡散律速孔部1280を通り流入する酸素ガスよりも多く、ポンプ電流は酸素ガスの濃度に反映しないため、基準電圧がポンプ電流と共に急激に増大するからである。   It can also be seen that when the reference voltage increases from 1.4 (V), the reference voltage increases rapidly with the pump current. This is due to the following reason. That is, a voltage higher than the voltage generated due to the difference in hydrogen gas concentration between the positive side electrode 1420 and the negative side electrode 1430 is supplied from the differential amplifier 3050 as a differential amplification voltage. Since the voltage is applied to 1430, the pump current increases rapidly with the reference voltage. In other words, in such a state, the amount of hydrogen gas flowing in from each inlet portion 1321 of the upper support member 1300 is larger than the oxygen gas flowing in through the diffusion rate controlling hole portion 1280, and the pump current is This is because the reference voltage increases rapidly with the pump current because it is not reflected in the concentration.

また、基準電圧が、0.7(V)〜1.4(V)の範囲以内にあるときは、ポンプ電流が基準電圧に対し飽和する傾向にあることが分かる。その理由は次の通りである。即ち、正側電極1420と負側電極1430との間に実質的に印加される差動増幅電圧が、負側電極1430上の水素ガスの濃度の増大に伴う正側電極1420と負側電極1430との間の水素ガスの濃度の差に起因して生ずる電圧の逆極性作用でもって、増大しないため、ポンプ電流が基準電圧に対し飽和するからである。換言すれば、拡散律速孔部1280から流入する酸素ガスのすべてが、負側電極1430上において水素ガスと反応して消費されるために、ポンプ電流が基準電圧に対し飽和するからである。従って、このときのポンプ電流が酸素ガスの濃度に反映することとなる。   Further, it can be seen that when the reference voltage is within the range of 0.7 (V) to 1.4 (V), the pump current tends to be saturated with respect to the reference voltage. The reason is as follows. In other words, the differential amplification voltage substantially applied between the positive electrode 1420 and the negative electrode 1430 causes the positive electrode 1420 and the negative electrode 1430 to increase as the concentration of hydrogen gas on the negative electrode 1430 increases. This is because the pump current saturates with respect to the reference voltage because it does not increase due to the reverse polarity effect of the voltage caused by the difference in hydrogen gas concentration between the pump current and the reference voltage. In other words, since all of the oxygen gas flowing in from the diffusion rate controlling hole portion 1280 reacts with the hydrogen gas on the negative electrode 1430 and is consumed, the pump current is saturated with respect to the reference voltage. Therefore, the pump current at this time is reflected in the concentration of oxygen gas.

以上のことから、基準電圧Vrefは、0.7(V)〜1.4(V)の範囲以内の電圧であれば、正側電極1420と負側電極1430との間に生ずる電圧を基準電圧Vrefに維持するように、差動増幅器3050の差動増幅電圧を制御することで、酸素ガスの濃度が精度よく検出され得る。
(第3実施形態)
図8は、本発明に係る酸素ガス検出装置の第3実施形態の要部を示している。この第3実施形態では、酸素ガス検出装置は、上記第1及び第2の実施形態のいずれかにて述べた酸素ガス検出装置において、酸素ガスセンサ1000(図1、図2及び図5参照)に代えて、図8にて示す構成を有する酸素ガスセンサを採用した構成となっている。
From the above, if the reference voltage Vref is a voltage within the range of 0.7 (V) to 1.4 (V), the voltage generated between the positive electrode 1420 and the negative electrode 1430 is the reference voltage. By controlling the differential amplification voltage of the differential amplifier 3050 so as to be maintained at Vref, the concentration of oxygen gas can be accurately detected.
(Third embodiment)
FIG. 8 shows a main part of a third embodiment of the oxygen gas detection device according to the present invention. In the third embodiment, the oxygen gas detection device is the same as the oxygen gas detection device described in any one of the first and second embodiments, except that the oxygen gas sensor 1000 (see FIGS. 1, 2, and 5) is used. Instead, an oxygen gas sensor having the configuration shown in FIG. 8 is adopted.

本第3実施形態の酸素ガスセンサは、上記第1及び第2の実施形態のいずれかにて述べた酸素ガスセンサ1000をセンサ本体として、このセンサ本体に対し、ケーシング4100、フィルタ4200、環状シール1150及びヒータ4300を付加した構成を有する。   The oxygen gas sensor according to the third embodiment uses the oxygen gas sensor 1000 described in any of the first and second embodiments as a sensor body, and a casing 4100, a filter 4200, an annular seal 1150, and a sensor body. The heater 4300 is added.

ケーシング4100は、筒状のケーシング本体4110と、断面コ字状の蓋体4120とを備えており、このケーシング4100は、蓋体4120をケーシング本体4110の開口部に嵌装することで構成されている。   The casing 4100 includes a cylindrical casing body 4110 and a U-shaped lid body 4120. The casing 4100 is configured by fitting the lid body 4120 into an opening of the casing body 4110. Yes.

また、上記センサ本体、フィルタ4200、環状シール1150及びヒータ4300は、図8にて示すごとく、ケーシング本体4110内に次のように収容されている。上記センサ本体は、その筒体1100の底壁1110にて、フィルタ4200を介し、ケーシング本体4110の底壁4111の内面に着座している。ここで、環状シール1150は、筒体1100のフランジ1140とケーシング本体4110の内壁の軸方向中間部位に形成した環状段部4112との間に気密的に挟持されている。   Further, as shown in FIG. 8, the sensor body, the filter 4200, the annular seal 1150, and the heater 4300 are housed in the casing body 4110 as follows. The sensor body is seated on the inner surface of the bottom wall 4111 of the casing body 4110 via the filter 4200 at the bottom wall 1110 of the cylindrical body 1100. Here, the annular seal 1150 is airtightly sandwiched between the flange 1140 of the cylindrical body 1100 and the annular step portion 4112 formed at the axially intermediate portion of the inner wall of the casing body 4110.

フィルタ4200は、被測定ガスに対する撥水性及び透過性を兼ね備えたフィルタ材料でもって形成されており、このフィルタ4200は、ケーシング本体4110の底壁4111に形成した流入口部4113を通り外部から流入するガスに付随する水滴を排除して酸素ガス等のガスのみを筒体1100の流入口部1111に向けて透過させる。   The filter 4200 is formed of a filter material that has both water repellency and permeability for the gas to be measured, and this filter 4200 flows in from the outside through the inlet 4113 formed in the bottom wall 4111 of the casing body 4110. Water droplets attached to the gas are excluded and only a gas such as oxygen gas is allowed to permeate toward the inlet portion 1111 of the cylindrical body 1100.

ヒータ4300は、ケーシング本体4110内において上記センサ本体上に収容されているもので、このヒータ4300は、筒状ボビン4310と、このボビン4310に同軸的に巻装したコイル4320とによって構成されている。ここで、上記センサ本体の正側接続端子1700及び負側接続端子1600は、ボビン4310の中央部に軸方向に形成した両挿通穴部4311を通り蓋体4120の上壁4121の中央に形成した両開口部4122から外部に突出している。また、コイル4320の両端子4321は、ボビン4310の両挿通穴部4311の間の部位を通り蓋体4120の上壁4121の中央から外部に延出している。   The heater 4300 is accommodated on the sensor main body in the casing main body 4110, and the heater 4300 includes a cylindrical bobbin 4310 and a coil 4320 wound around the bobbin 4310 coaxially. . Here, the positive side connection terminal 1700 and the negative side connection terminal 1600 of the sensor body are formed in the center of the upper wall 4121 of the lid body 4120 through both insertion holes 4311 formed in the axial direction in the center part of the bobbin 4310. Projecting to the outside from both openings 4122. Further, both terminals 4321 of the coil 4320 pass through a portion between both insertion holes 4311 of the bobbin 4310 and extend from the center of the upper wall 4121 of the lid 4120 to the outside.

なお、正側電極1420に流入する被測定ガスは、ケーシング4100の流入口部4113からフィルタ4200及び筒体1100の周壁1120とケーシング本体4110の周壁との間の環状隙間を通り筒体1100の流入口部1121から流入する。また、図8にて各符号4322は、圧着端子を示す。その他の構成は、上記第1或いは第2の実施形態と同様である。   The gas to be measured flowing into the positive electrode 1420 flows from the inlet 4113 of the casing 4100 through the annular gap between the filter 4200 and the peripheral wall 1120 of the cylindrical body 1100 and the peripheral wall of the casing body 4110. It flows in from the inlet 1121. Moreover, in FIG. 8, each code | symbol 4322 shows a crimp terminal. Other configurations are the same as those in the first or second embodiment.

このように構成した本第3実施形態において、当該第3実施形態の酸素ガスセンサを、ケーシング本体4110の雄ねじ部4114にて、ガス配管(図示しない)の雌ねじ穴部内に締着する。これに伴い、ケーシング本体4110は、そのフランジ4115にて、上記ガス配管の周壁のうち上記取り付け穴部の近傍部位に着座する。   In the third embodiment configured as described above, the oxygen gas sensor of the third embodiment is fastened in the female screw hole portion of the gas pipe (not shown) by the male screw portion 4114 of the casing body 4110. Along with this, the casing body 4110 is seated at the flange 4115 in the vicinity of the mounting hole portion of the peripheral wall of the gas pipe.

このような状態において、ヒータ4300をそのコイル4320の両端子4321にて加熱電源(図示しない)に接続すると、ケーシング4100及び上記センサ本体がヒータ4300によって加熱される。このため、上記被測定雰囲気の内部が高い湿度の雰囲気となっていても、ケーシング4100内に結露が発生することがない。その結果、上記センサ本体の下側支持部材1200の拡散律速孔部1280の詰まりを防止し得る。   In such a state, when the heater 4300 is connected to a heating power source (not shown) at both terminals 4321 of the coil 4320, the casing 4100 and the sensor body are heated by the heater 4300. For this reason, even if the inside of the measured atmosphere is an atmosphere of high humidity, condensation does not occur in the casing 4100. As a result, clogging of the diffusion-controlling hole 1280 of the lower support member 1200 of the sensor body can be prevented.

このような状態においては、被測定ガスが、ケーシング4100の流入口部4113、フィルタ4200及び筒体1100の流入口部1111を通り、拡散律速孔部1280を円滑に通過する。従って、センサ素子1400に流入する酸素ガスが不足することがない。よって、このような酸素ガスの濃度を検出回路2000(図1参照)或いは検出制御回路3000により検出することで、上記第1及び第2の実施形態のいずれかの場合よりも、より一層精度良く酸素ガスの濃度を検出し得る。その他の作用効果は、上記第1或いは第2の実施形態と同様である。   In such a state, the gas to be measured passes through the inlet 4113 of the casing 4100, the filter 4200, and the inlet 1111 of the cylindrical body 1100, and smoothly passes through the diffusion-controlling hole 1280. Therefore, there is no shortage of oxygen gas flowing into the sensor element 1400. Therefore, by detecting such a concentration of oxygen gas by the detection circuit 2000 (see FIG. 1) or the detection control circuit 3000, the accuracy can be improved more accurately than in the case of either the first or second embodiment. The concentration of oxygen gas can be detected. Other functions and effects are the same as those of the first or second embodiment.

なお、本発明の実施にあたり、上記実施形態に限ることなく、次のような種々の変形例が挙げられる。
(1)支持部材1200に形成した拡散律速孔部1280は、単一の貫通孔部に代えて、複数の貫通孔部としてもよい。また、拡散律速孔部1280に代えて、アルミナ等の多孔質材料からなる柱状部を採用してもよい。なお、当該柱状部や拡散律速孔部1280は、拡散律速部として把握してもよい。
(2)両支持部材1200、1300の各基板は、セラミック材料に代えて、電気絶縁性合成樹脂でもって形成してもよい。
(3)可変基準電源3070に代えて、基準電圧Vrefを上述した0.7(V)〜1.4(V)の範囲内の電圧に設定してなる固定基準電圧電源を採用してもよい。
(4)酸素ガスセンサは、上記各実施形態にて述べた構成に限らず、次のような構成を有していてもよい。即ち、両支持部材1200、1300によりセンサ素子1400を挟持する構成に代えて、両被導電性支持部材によりセンサ素子1400を挟持する構成を採用し、かつ金属製筒体1100に代えて電気絶縁性筒体を採用し、さらに正側及び負側の接続端子1700、1600を廃止するようにしてもよい。
In carrying out the present invention, the following various modifications are possible without being limited to the above embodiment.
(1) The diffusion-controlling hole portion 1280 formed in the support member 1200 may be a plurality of through-hole portions instead of a single through-hole portion. Further, a columnar portion made of a porous material such as alumina may be employed in place of the diffusion rate controlling hole portion 1280. In addition, you may grasp | ascertain the said columnar part and the diffusion control hole part 1280 as a diffusion control part.
(2) The substrates of the support members 1200 and 1300 may be formed of an electrically insulating synthetic resin instead of the ceramic material.
(3) Instead of the variable reference power supply 3070, a fixed reference voltage power supply in which the reference voltage Vref is set to a voltage within the range of 0.7 (V) to 1.4 (V) described above may be employed. .
(4) The oxygen gas sensor is not limited to the configuration described in the above embodiments, and may have the following configuration. That is, instead of the configuration in which the sensor element 1400 is sandwiched between the support members 1200 and 1300, a configuration in which the sensor element 1400 is sandwiched between the two conductive support members is adopted, and the metal insulating body 1100 is replaced with the electrical insulating property. A cylindrical body may be employed, and the positive and negative connection terminals 1700 and 1600 may be eliminated.

この場合には、センサ素子1400の正側電極1420及び負側電極1430との間に可変直流電源2200の直流電圧を印加し、或いは正側電極1420及び負側電極1430との間に半導体スイッチ回路3020を介するコンデンサ3060からの充電電圧を印加する。
(5)樹脂部材1500は、電気絶縁性合成樹脂からなるものに限ることなく、適宜な材料からなる押圧部材であってもよい。これに伴い、支持部材1200、1300は、全体として、電気絶縁材料で形成するとともに、筒体1100は、金属製に限ることなく、例えば、電気絶縁性合成樹脂で形成してもよい。
In this case, the DC voltage of the variable DC power source 2200 is applied between the positive electrode 1420 and the negative electrode 1430 of the sensor element 1400, or the semiconductor switch circuit is connected between the positive electrode 1420 and the negative electrode 1430. A charging voltage from the capacitor 3060 through 3020 is applied.
(5) The resin member 1500 is not limited to one made of an electrically insulating synthetic resin, and may be a pressing member made of an appropriate material. Accordingly, the support members 1200 and 1300 are formed of an electrically insulating material as a whole, and the cylindrical body 1100 is not limited to being made of metal, and may be formed of, for example, an electrically insulating synthetic resin.

本発明に係る酸素ガス検出装置の第1実施形態における酸素ガスセンサの断面を検出制御回路と共に示す図である。It is a figure which shows the cross section of the oxygen gas sensor in 1st Embodiment of the oxygen gas detection apparatus which concerns on this invention with a detection control circuit. 図1の酸素ガスセンサの拡大断面図である。It is an expanded sectional view of the oxygen gas sensor of FIG. 上記第1実施形態における酸素ガスの濃度を、ポンプ電流との関係で示すグラフである。It is a graph which shows the density | concentration of oxygen gas in the said 1st Embodiment in relation to a pump current. 上記第1実施形態における正側電極と負側電極との間への印加電圧(直流電圧)をポンプ電流との関係で示すグラフである。It is a graph which shows the applied voltage (DC voltage) between the positive side electrode and negative side electrode in the said 1st Embodiment by the relationship with pump current. 本発明に係る酸素ガス検出装置の第2実施形態における酸素ガスセンサの断面を検出制御回路と共に示す図である。It is a figure which shows the cross section of the oxygen gas sensor in 2nd Embodiment of the oxygen gas detection apparatus which concerns on this invention with a detection control circuit. 上記第2実施形態における駆動回路、コンデンサ及び差動増幅器の各出力を時間の経過との関連で示すタイミングチャートである。It is a timing chart which shows each output of the drive circuit in the said 2nd Embodiment, a capacitor | condenser, and a differential amplifier in relation to passage of time. 上記第2実施形態における可変基準電源の基準電圧をポンプ電流との関係で示すグラフである。It is a graph which shows the reference voltage of the variable reference power supply in the said 2nd Embodiment by the relationship with pump current. 本発明に係る酸素ガス検出装置の第3実施形態における酸素ガスセンサの断面図である。It is sectional drawing of the oxygen gas sensor in 3rd Embodiment of the oxygen gas detection apparatus which concerns on this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1000…酸素ガスセンサ、1100…筒体、1110…底壁、
1111、1121、1321…流入口部、1120…周壁、
1200、1300…支持部材、1280…拡散律速孔部、
1410…プロトン伝導層、1420…正側電極、1430…負側電極、
1500…樹脂部材、2000、3000…検出制御回路、2200…可変直流電源、
3010…駆動回路、3020…半導体スイッチ回路、3060…コンデンサ、
3050…差動増幅器、3070…可変基準電圧電源。
1000 ... oxygen gas sensor, 1100 ... cylinder, 1110 ... bottom wall,
1111, 1121, 1321 ... Inlet part, 1120 ... Perimeter wall,
1200, 1300 ... support member, 1280 ... diffusion-controlling hole,
1410 ... Proton conducting layer, 1420 ... Positive electrode, 1430 ... Negative electrode,
1500 ... resin member, 2000, 3000 ... detection control circuit, 2200 ... variable DC power supply,
3010: Drive circuit, 3020 ... Semiconductor switch circuit, 3060 ... Capacitor,
3050: Differential amplifier, 3070: Variable reference voltage power supply.

Claims (7)

酸素ガスセンサと、検出制御手段とを備え、
前記酸素ガスセンサは、
高分子電解質からなるプロトン伝導層と、
このプロトン伝導層の両面の一方に沿い設けた正側電極と、
前記プロトン伝導層の両面の他方に沿い設けた負側電極と、
この負側電極を介し前記プロトン伝導層に対向するように前記負側電極に沿い設けた一側支持部材と、
前記正側電極を介し前記プロトン伝導層に対向するように前記正側電極に沿い設けた他側支持部材とを具備して、
前記一側支持部材は、外部からの被測定ガスを前記負側電極に流入させる拡散律速部を有しており、
前記他側支持部材は、外部からの被測定ガスを前記正側電極に流入させる流入口部を有しており、
前記検出制御手段は、
所定の電圧範囲以内の直流電圧を前記正側電極と前記負側電極との間に印加する直流電源を具備しており、
前記所定の電圧範囲は、前記他側支持部材の前記流入口部から流入する被測定ガス中の水蒸気に基づき前記正側電極上にてプロトンを生成し、この生成プロトンを、前記一側支持部材の前記拡散律速部から流入する被測定ガス中の酸素ガスと反応するように前記プロトン伝導層を介し前記負側電極に汲み出すに要する直流電圧範囲に設定されている酸素ガス検出装置。
An oxygen gas sensor and detection control means;
The oxygen gas sensor is
A proton conducting layer made of a polymer electrolyte;
A positive electrode provided along one of both sides of the proton conducting layer;
A negative electrode provided along the other of the two surfaces of the proton conducting layer;
A one-side support member provided along the negative electrode so as to face the proton conducting layer via the negative electrode;
The other side support member provided along the positive side electrode so as to face the proton conductive layer via the positive side electrode,
The one-side support member has a diffusion rate-limiting part that allows a gas to be measured from the outside to flow into the negative electrode,
The other side support member has an inlet portion for allowing a gas to be measured from the outside to flow into the positive electrode,
The detection control means includes
A DC power source for applying a DC voltage within a predetermined voltage range between the positive electrode and the negative electrode;
In the predetermined voltage range, protons are generated on the positive electrode based on water vapor in the gas to be measured flowing from the inlet portion of the other side support member, and the generated protons are supplied to the one side support member. An oxygen gas detection device set in a DC voltage range required for pumping out to the negative electrode through the proton conduction layer so as to react with oxygen gas in the gas to be measured flowing from the diffusion rate controlling portion.
酸素ガスセンサ及び検出制御手段を備え、
前記酸素ガスセンサは、
流入口部を有する底壁と、流入口部を有する筒状周壁とを有し、この周壁の底端側開口部に前記底壁を設けてなる筒体と、
この筒体内に収容されて前記底壁に着座する一側支持部材と、
この一側支持部材に積層される負側電極と、
この負側電極に積層されて高分子電解質からなるプロトン伝導層と、
このプロトン伝導層を介し前記負側電極に対向するように前記プロトン伝導層に積層される正側電極と、
この正側電極を介し前記プロトン伝導層に対向するように前記正側電極に積層される他側支持部材と、
前記筒体内にその先端側開口部から嵌装されて前記他側支持部材を前記正側電極、前記プロトン伝導層、前記負側電極及び前記一側支持部材を介し前記底壁上に押圧する押圧部材とを具備して、
前記一側支持部材は、外部から前記底壁の流入口部を通し前記負側電極に被測定ガスを流入させる拡散律速部を有しており、
前記他側支持部材は、前記周壁の流入口部を通り外部から流入する被測定ガスを前記正側電極に流入させる流入口部を有しており、
前記検出制御手段は、
所定の電圧範囲以内の直流電圧を前記正側電極と前記負側電極との間に印加する直流電源を具備して、
前記所定の電圧範囲は、前記他側支持部材の前記流入口部から流入する被測定ガス中の水蒸気に基づき前記正側電極上にてプロトンを生成し、この生成プロトンを、前記一側支持部材の前記拡散律速部から流入する被測定ガス中の酸素ガスと反応するように前記プロトン伝導層を介し前記負側電極に汲み出すに要する直流電圧範囲に設定されている酸素ガス検出装置。
An oxygen gas sensor and detection control means;
The oxygen gas sensor is
A cylinder having a bottom wall having an inlet portion and a cylindrical peripheral wall having an inlet portion, wherein the bottom wall is provided at the bottom end side opening of the peripheral wall;
A one-side support member housed in the cylinder and seated on the bottom wall;
A negative electrode laminated on the one side support member;
A proton conducting layer made of a polymer electrolyte laminated on the negative electrode;
A positive electrode laminated on the proton conductive layer so as to face the negative electrode through the proton conductive layer;
The other side support member laminated on the positive side electrode so as to face the proton conduction layer via the positive side electrode;
A press which is fitted into the cylindrical body from its front end side opening and presses the other side support member onto the bottom wall via the positive side electrode, the proton conductive layer, the negative side electrode and the one side support member Comprising a member,
The one-side support member has a diffusion-controlling part that allows the gas to be measured to flow into the negative electrode through the inlet of the bottom wall from the outside,
The other side support member has an inlet portion for allowing the gas to be measured flowing from the outside through the inlet portion of the peripheral wall to flow into the positive electrode,
The detection control means includes
Comprising a DC power supply for applying a DC voltage within a predetermined voltage range between the positive electrode and the negative electrode;
In the predetermined voltage range, protons are generated on the positive electrode based on water vapor in the gas to be measured flowing from the inlet portion of the other side support member, and the generated protons are supplied to the one side support member. An oxygen gas detection device set in a DC voltage range required for pumping out to the negative electrode through the proton conduction layer so as to react with oxygen gas in the gas to be measured flowing from the diffusion rate controlling portion.
酸素ガスセンサと、検出制御手段とを備え、
前記酸素ガスセンサは、
高分子電解質からなるプロトン伝導層と、
このプロトン伝導層の両面の一方に沿い設けた正側電極と、
前記プロトン伝導層の両面の他方に沿い設けた負側電極と、
この負側電極を介し前記プロトン伝導層に対向するように前記負側電極に沿い設けた一側支持部材と、
前記正側電極を介し前記プロトン伝導層に対向するように前記正側電極に沿い設けた他側支持部材とを具備して、
前記一側支持部材は、外部からの被測定ガスを前記負側電極に流入させる拡散律速部を有しており、
前記他側支持部材は、外部からの被測定ガスを前記正側電極に流入させる流入口部を有しており、
前記検出制御手段は、
前記正側電極と前記負側電極との間に生ずる電圧でもって充電されて充電電圧を発生する充電電圧発生手段と、
所定の電圧範囲以内の基準電圧を発生する基準電圧発生手段と、
前記正側電極と前記負側電極との間に直流電圧を印加する電圧印加手段と、
前記正側電極と前記負側電極との間に生ずる電圧を前記基準電圧に維持するように前記正側電極と前記負側電極との間に印加する前記直流電圧を前記充電電圧に基づき制御する電圧制御手段とを具備しており、
前記所定の電圧範囲は、前記他側支持部材の前記流入口部から流入する被測定ガス中の水蒸気に基づき前記正側電極上にてプロトンを生成し、この生成プロトンを、前記一側支持部材の前記拡散律速部から流入する被測定ガス中の酸素ガスと反応するように前記プロトン伝導層を介し前記負側電極に汲み出すに要する直流電圧範囲に設定されている酸素ガス検出装置。
An oxygen gas sensor and detection control means;
The oxygen gas sensor is
A proton conducting layer made of a polymer electrolyte;
A positive electrode provided along one of both sides of the proton conducting layer;
A negative electrode provided along the other of the two surfaces of the proton conducting layer;
A one-side support member provided along the negative electrode so as to face the proton conduction layer via the negative electrode;
Comprising the other side support member provided along the positive side electrode so as to face the proton conductive layer via the positive side electrode,
The one-side support member has a diffusion rate-limiting portion that allows a gas to be measured from the outside to flow into the negative electrode,
The other side support member has an inlet portion for allowing a gas to be measured from the outside to flow into the positive electrode,
The detection control means includes
Charging voltage generating means for generating a charging voltage by being charged with a voltage generated between the positive electrode and the negative electrode;
A reference voltage generating means for generating a reference voltage within a predetermined voltage range;
Voltage application means for applying a DC voltage between the positive electrode and the negative electrode;
The DC voltage applied between the positive side electrode and the negative side electrode is controlled based on the charging voltage so as to maintain the voltage generated between the positive side electrode and the negative side electrode at the reference voltage. Voltage control means,
In the predetermined voltage range, protons are generated on the positive electrode based on water vapor in the gas to be measured flowing from the inlet portion of the other side support member, and the generated protons are supplied to the one side support member. An oxygen gas detection device set in a DC voltage range required for pumping out to the negative electrode through the proton conduction layer so as to react with oxygen gas in the gas to be measured flowing from the diffusion rate controlling portion.
酸素ガスセンサ及び検出制御手段を備え、
前記酸素ガスセンサは、
流入口部を有する底壁と、流入口部を有する筒状周壁とを有し、この周壁の底端側開口部に前記底壁を設けてなる筒体と、
この筒体内に収容されて前記底壁に着座する一側支持部材と、
この一側支持部材に積層される負側電極と、
この負側電極に積層されて高分子電解質からなるプロトン伝導層と、
このプロトン伝導層を介し前記負側電極に対向するように前記プロトン伝導層に積層される正側電極と、
前記正側電極を介し前記プロトン伝導層に対向するように前記正側電極に積層される他側支持部材と、
前記筒体内にその先端側開口部から嵌装されて前記他側支持部材を前記正側電極、前記プロトン伝導層、前記負側電極及び前記一側支持部材を介し前記底壁上に押圧する押圧部材とを具備して、
前記一側支持部材は、外部から前記底壁の流入口部を通し前記負側電極に被測定ガスを導入する拡散律速部を有しており、
前記他側支持部材は、前記周壁の流入口部を通り外部から流入する被測定ガスを前記正側電極に流入させる流入口部を有しており、
前記検出制御手段は、
前記正側電極と前記負側電極との間に生ずる電圧でもって充電されて充電電圧を発生する充電電圧発生手段と、
所定の電圧範囲以内の基準電圧を発生する基準電圧発生手段と、
前記正側電極と前記負側電極との間に直流電圧を印加する電圧印加手段と、
前記正側電極と前記負側電極との間に生ずる電圧を前記基準電圧に維持するように前記正側電極と前記負側電極との間に印加する前記直流電圧を前記充電電圧に基づき制御する電圧制御手段とを具備しており、
前記所定の電圧範囲は、前記他側支持部材の前記流入口部から流入する被測定ガス中の水蒸気に基づき前記正側電極上にてプロトンを生成し、この生成プロトンを、前記一側支持部材の前記拡散律速部から流入する被測定ガス中の酸素ガスと反応するように前記プロトン伝導層を介し前記負側電極に汲み出すに要する直流電圧範囲に設定されている酸素ガス検出装置。
An oxygen gas sensor and detection control means;
The oxygen gas sensor is
A cylinder having a bottom wall having an inlet portion and a cylindrical peripheral wall having an inlet portion, wherein the bottom wall is provided at the bottom end side opening of the peripheral wall;
A one-side support member housed in the cylinder and seated on the bottom wall;
A negative electrode laminated on the one side support member;
A proton conducting layer made of a polymer electrolyte laminated on the negative electrode;
A positive electrode laminated on the proton conductive layer so as to face the negative electrode through the proton conductive layer;
The other side support member laminated on the positive side electrode so as to face the proton conduction layer via the positive side electrode;
A press which is fitted into the cylindrical body from its front end side opening and presses the other side support member onto the bottom wall via the positive side electrode, the proton conductive layer, the negative side electrode and the one side support member Comprising a member,
The one side support member has a diffusion rate controlling portion for introducing a gas to be measured from the outside through the inlet portion of the bottom wall to the negative electrode,
The other side support member has an inlet portion for allowing a gas to be measured flowing from outside through the inlet portion of the peripheral wall to flow into the positive electrode,
The detection control means includes
Charging voltage generating means for generating a charging voltage by being charged with a voltage generated between the positive electrode and the negative electrode;
A reference voltage generating means for generating a reference voltage within a predetermined voltage range;
Voltage application means for applying a DC voltage between the positive electrode and the negative electrode;
The DC voltage applied between the positive side electrode and the negative side electrode is controlled based on the charging voltage so as to maintain the voltage generated between the positive side electrode and the negative side electrode at the reference voltage. Voltage control means,
In the predetermined voltage range, protons are generated on the positive electrode based on water vapor in the gas to be measured flowing from the inlet portion of the other side support member, and the generated protons are supplied to the one side support member. An oxygen gas detection device set in a DC voltage range required for pumping out to the negative electrode through the proton conduction layer so as to react with oxygen gas in the gas to be measured flowing from the diffusion rate controlling portion.
前記充電電圧発生手段は、コンデンサであり、
前記基準電圧発生手段は、前記基準電圧を発生する可変基準電源であり、
前記電圧印加手段は、差動増幅手段であり、
前記電圧制御手段は、所定周期にてパルス駆動信号を発生するパルス駆動信号発生手段と、このパルス駆動信号発生手段から順次発生するパルス駆動信号の一方向へのレベル変化に基づき第1切り替え状態に切り替わるように作動し、前記パルス駆動信号の他方向へのレベル変化に基づき第2切り替え状態に切り替わるように作動する切り替え作動手段とを備えて、
前記コンデンサは、前記切り替え作動手段の第1切り替え状態への作動に基づき、前記正側電極と前記負側電極との間に生ずる電圧でもって充電されて前記充電電圧を発生し、 前記差動増幅手段は、前記切り替え作動手段の第2切り替え状態への作動に基づき、前記基準電圧と前記充電電圧との差を増幅して差動増幅電圧を発生し、この差動増幅電圧を、前記正側電極と前記負側電極との間に前記差動増幅電圧に応じた電圧を発生させるように前記直流電圧として印加するようにしたことを特徴とする請求項3或いは4に記載の酸素ガス検出装置。
The charging voltage generating means is a capacitor,
The reference voltage generating means is a variable reference power source that generates the reference voltage,
The voltage application means is a differential amplification means,
The voltage control means switches to a first switching state based on a pulse drive signal generating means for generating a pulse drive signal at a predetermined cycle and a level change in one direction of the pulse drive signals sequentially generated from the pulse drive signal generating means. Switching operation means that operates to switch and operates to switch to the second switching state based on a level change in the other direction of the pulse drive signal,
The capacitor is charged with a voltage generated between the positive side electrode and the negative side electrode based on the operation of the switching operation unit to the first switching state to generate the charging voltage, and the differential amplification The means amplifies the difference between the reference voltage and the charging voltage based on the operation of the switching operation means to the second switching state, and generates a differential amplification voltage. 5. The oxygen gas detection device according to claim 3, wherein the direct current voltage is applied between the electrode and the negative electrode so as to generate a voltage corresponding to the differential amplification voltage. .
前記所定の電圧範囲は、0.7(V)〜1.4(V)の電圧範囲であることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1つに記載の酸素ガス検出装置。   The oxygen gas detection device according to claim 1, wherein the predetermined voltage range is a voltage range of 0.7 (V) to 1.4 (V). 前記正側電極は、白金族金属の粉末と高分子電解質とを混合してなる材料でもって形成されていることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1つに記載の酸素ガス検出装置。   The oxygen gas detection device according to any one of claims 1 to 6, wherein the positive electrode is formed of a material obtained by mixing a platinum group metal powder and a polymer electrolyte. .
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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EP1785835A2 (en) 2005-11-04 2007-05-16 Hitachi, Ltd. Storage control method for managing access environment enabling host to access data

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