JP2009250638A - ガス濃度検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】還元雰囲気中の水蒸気及び二酸化炭素の混合濃度を検出することができるガス濃度検出装置を提供する。
【解決手段】ＣＰＵ６１は、雰囲気が酸化雰囲気であるか還元雰囲気であるかを判別し、還元雰囲気であると判別したときに定電圧回路３を制御して電極２２Ａ、２２Ｂ間に流れる電流が飽和するような電極２２Ａを陽極、電極２２Ｂを陰極とする印加電圧０．３Ｖ〜０．８Ｖを印加して、このときの出力電流に基づいて還元雰囲気中の水蒸気及びＣＯ₂の混合濃度を検出する。ＣＰＵ６１は、酸化雰囲気であると判別したときに定電圧回路３を制御して電流２２Ａ、２２Ｂ間に流れる電流が飽和するような電極２２Ａを陰極、電極２２Ｂを陽極とする印加電圧−０．３Ｖ〜−０．８Ｖを印加して、このときの出力電流に基づいてＨ₂濃度を検出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガス濃度検出装置に係り、特に、還元雰囲気中の水蒸気及び二酸化炭素の混合濃度を検出するガス濃度検出装置に関するものである。

限界電流式センサは気体中の酸素濃度測定の分野で主に使われている。限界電流式センサは、基準酸素分圧を不要としながら、その出力電流が酸素濃度にほぼ比例し、しかも応答性に優れ、高温に耐える等の特徴を有し、各種用途への応用技術が活発に行われている。図１に示すように、限界電流式センサ２において、安定化ジルコニアからなる固体電解質２１の両面の少なくとも一部には、白金などからなる多孔質の電極２２Ａ及び電極２２Ｂが設けられ、さらに、固体電解質２１の一面には電極２２Ａを挟んで、拡散律速された酸素ガスを供給するガス律速体としてのアルミナ多孔質基板２３が設けられている。そして、アルミナ多孔質基板２３には、固体電解質２１を４００℃以上に加熱して、酸素イオンの伝導率を良くするためのヒータ２４が設けられている。

また、上述した限界電流式センサ２の電極２２Ａ及び電極２２Ｂには、固体電解質２１に電圧を印加するための定電圧回路３がそれぞれ接続され、定電圧回路３には固体電解質２１内の酸素イオンの伝導をキャリアとして流れる電流を出力電流として検出する電流検出回路４が直列に接続されている。上述した構成の限界電流式センサ２の動作を以下説明する。アルミナ多孔質基板２３により律速された酸素ガスは、電極２２Ａを介して固体電解質２１に対して供給されている。このとき、定電圧回路３により電極２２Ａ、２２Ｂを介して固体電解質２１に電圧を印加すると、酸素ガスは電極２２Ａと固体電解質２１との境界面にて定電圧回路３から供給される電子を受け取って酸素イオン（＝Ｏ^2-陰イオン）に変換される。変換された酸素イオンは固体電解質２１中を伝導し、電極２２Ｂに到達し、電極２２Ｂと固体電解質２１との境界面にて、電子を放出して再び酸素ガスに戻る。

上述した固体電解質２１中を伝導する酸素イオンをキャリアとして発生する電流は、固体電解質２１に対する印加電圧が大きくなるに従って増大するが、印加電圧が所定値以上となると飽和して印加電圧を大きくしても増大しなくなる。これは電極２２Ａに対する酸素ガスの供給量がアルミナ多孔質基板２３により律速され、電流のキャリアとなる酸素イオン数が制限されるためである。上述した飽和時の電流である飽和電流は、図１０に示すように周囲の酸素ガスの濃度に対応した値となる。

このような限界電流式センサ２において、酸素イオンを透過する固体電解質２１に印加する印加電圧を調整することにより、雰囲気中の酸素のみならず水蒸気及び二酸化炭素（以下ＣＯ₂）に対しても感度を持たせるようにできることが知られていた。ここで、水蒸気及びＣＯ₂濃度測定に用いる試みがなされた（例えば特許文献１）。

図１１〜図１２に示すように、水蒸気及びＣＯ₂が混合された酸化雰囲気中においては、飽和電流が２段に現れる。そして、低電圧側の飽和電流は水蒸気及びＣＯ₂濃度には影響されず酸素濃度に応じた値となる。これは、低電圧側では水蒸気、ＣＯ₂及び酸素のうち酸素のみが分解して酸素イオンとなるためである。これに対して、高電圧側の飽和電流は水蒸気、ＣＯ₂及び酸素の三者に応じた値となる。これは、高電圧側では水蒸気、ＣＯ₂及び酸素の三者が分解して酸素イオンになるためである。なお、水（Ｈ₂Ｏ）とＣＯ₂との理論分解電圧はそれぞれ１.１４８Ｖ、１．２６３Ｖと非常に近いため、高電圧側の飽和電流は水蒸気、ＣＯ₂及び酸素の混合濃度に応じた値となる。

そこで、まず、酸素濃度の影響を排除するため、固体電解質２１へ印加する印加電圧を高低２段の電圧で交互に切り替える。即ち、固定電解質２１表面で酸素が分解して酸素イオンとなるがＨ₂Ｏ、ＣＯ₂は分解しない低電圧（０．３Ｖ〜０．８Ｖ）及び酸素分子もＨ₂Ｏ、ＣＯ₂も分解して酸素イオンが発生する高電圧（０．９Ｖ〜１．６Ｖ）とを交互に切り替える。そして、低電圧を印加したときの限界電流式センサ２の出力電流を酸素濃度に対応する値として測定し、高電圧を印加したときの限界電流式センサ２の出力電流を酸素濃度、水蒸気及びＣＯ₂の混合濃度に対応する値として測定する。その後、上記測定値の差から水蒸気及びＣＯ₂の混合濃度を算出する。

しかしながら、余剰酸素が零で還元性の未燃ガス(例えば水素Ｈ₂)の含まれる還元雰囲気下では水蒸気、ＣＯ₂の分解が印加電圧０Ｖ付近から起こる。このため、従来の方法では、還元雰囲気中の水蒸気及びＣＯ₂の混合濃度を算出することができない、という問題があった。
特開平１０−２２１３００号公報

そこで、本発明は、上記のような問題点に着目し、還元雰囲気中の水蒸気及び二酸化炭素の混合濃度を検出することができるガス濃度検出装置を提供することを課題とする。

本発明者らは、還元雰囲気中の水蒸気及び二酸化炭素の混合濃度を検出することができるガス濃度検出装置を鋭意探求したところ、還元雰囲気中において固体電解質の両面に設けられた電極対のうちガス律速体側の一方を陽極、ガス律速体から離れた側の他方を陰極とする定電圧を固体電解質に印加したときの飽和電流が未燃ガスに影響されず水蒸気及び二酸化炭素の混合濃度に応じた値であることを見出し、本発明を完成するに至った。

即ち、請求項１記載の発明は、還元雰囲気中の水蒸気及び二酸化炭素の混合濃度を検出するガス濃度検出装置であって、酸素イオン伝導性を有する固体電解質、該固体電解質の両面に設けられた電極対、及び、前記固体電解質の一面に前記電極対の一方を挟んで設けられたガス律速体からなる限界電流式センサと、雰囲気が酸化雰囲気であるか還元雰囲気であるかを判別する酸化・還元判別手段と、前記電極対間に定電圧を印加する定電圧回路と、前記酸化・還元判別手段が還元雰囲気であると判別したときに前記定電圧回路を制御して前記電極対間に流れる電流が飽和するような前記電極対の一方を陽極、他方を陰極とする第１定電圧を印加する第１電圧印加手段と、前記第１電圧印加手段により前記第１定電圧が印加されているときに前記電極対間に流れる電流に基づいて前記還元雰囲気中の水蒸気及び二酸化炭素の混合濃度を検出する還元濃度検出手段と、を備えたことを特徴とするガス濃度検出装置に存する。

請求項２記載の発明は、前記第１電圧印加手段が、前記酸化・還元判別手段が還元雰囲気であると判別したときに前記定電圧回路を制御して前記第１定電圧、及び、前記電極対間に流れる電流が飽和するような前記電極対の一方を陰極、他方を陽極とする第２定電圧、を交互に印加するように設定され、前記還元濃度検出手段が、前記第１電圧印加手段により前記第２定電圧が印加されているときに前記電極対間に流れる電流に基づいて可燃性ガス濃度を検出するように設定されていることを特徴とする請求項１に記載のガス濃度検出装置に存する。

請求項３記載の発明は、前記酸化・還元判別手段が酸化雰囲気であると判別したときに前記定電圧回路を制御して前記電極対間に流れる電流が飽和するような前記電極対の一方を陽極、他方を陰極とする低電圧、及び、前記低電圧を印加したときよりも高い値で前記電極対間に流れる電流が飽和するような前記電極対の一方を陽極、他方を陰極とする高電圧、を交互に印加する第２電圧印加手段と、前記第２電圧印加手段により前記低電圧を印加したときに前記電極対に流れる電流、及び、前記高電圧を印加したときに前記電極対に流れる電流、の差に基づいて前記酸化雰囲気中の水蒸気及び前記二酸化炭素の濃度を検出する酸化濃度検出手段と、を備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載のガス濃度検出装置に存する。

請求項４記載の発明は、前記酸化・還元判別手段は、前記還元雰囲気中に電極対間に流れる電流が飽和する電圧領域よりも大きい、前記電極対の一方を陽極、他方を陰極とする第３定電圧を印加したときの前記電極対間に流れる電流に基づいて判定するように設定されていることを特徴とする請求項１〜３何れか１項に記載のガス濃度検出装置に存する。

以上説明したように請求項１記載の発明によれば、還元雰囲気中の水蒸気及び二酸化炭素の混合濃度を検出することができる。

請求項２記載の発明は、単一の限界電流式センサにて還元雰囲気中の水蒸気及び二酸化炭素の混合濃度の検出と、還元雰囲気中の未燃ガス濃度の検出と、の両者の検出を行うことができる。

請求項３記載の発明は、単一の限界電流式センサにてさらに酸化雰囲気中の水蒸気及び二酸化炭素の混合濃度の検出と、酸化雰囲気中の酸素濃度の検出と、を行うことができる。

請求項４記載の発明は、限界電流式センサを用いて酸化雰囲気であるか還元雰囲気であるかを判別することができ、コストダウンを図ることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１に示すように、ガス濃度検出装置１は、限界電流式センサ２と、定電圧回路３と、電流検出回路４と、ヒータ制御部５と、マイクロコンピュータ（以下μＣＯＭ）６と、を備えている。限界電流式センサ２は、固体電解質２１と、電極対の一方としての電極２２Ａ及び電極対の他方としての２２Ｂと、ガス律速体としてのアルミナ多孔質基板２３と、ヒータ２４と、から構成されている。

固体電解質２１は、酸素イオン伝導性を有する例えば安定化ジルコニアから構成されている。一対の電極２２Ａ、２２Ｂはそれぞれ、白金などの多孔質の電極材で設けられている。一対の電極２２Ａ、２２Ｂはまたそれぞれ、固定電解質２１の両面に設けられている。アルミナ多孔質基板２３は、固体電解質２１の一面に電極２２Ａを挟んで設けられていて、固体電解質２１に拡散律速された雰囲気を供給する。ヒータ２４は、アルミナ多孔質基板２３の一面に設けられていて、固体電解質２１を４００℃以上に加熱して、酸素イオンの伝導率を良くする。

定電圧回路３は、上記一対の電極２２Ａ、２２Ｂ間、即ち固体電解質２１に定電圧を印加する回路である。この定電圧回路３は、後述するμＣＯＭ６によって制御される。電流検出回路４は、上記一対の電極２２Ａ、２２Ｂ間、即ち固体電解質２１に流れる電流を検出して、その電流値を出力電流としてμＣＯＭ６に対して出力する回路である。ヒータ制御部５は、ヒータ２４を制御して固体電解質２１を４００℃以上に加熱する回路である。このヒータ制御部５は、後述するμＣＯＭ６によって制御される。

μＣＯＭ６は、処理プログラムに従って各種の処理を行う中央演算処理ユニット（以下ＣＰＵ）６１と、ＣＰＵ６１が行う処理のプログラムなどを格納した読出専用のメモリであるＲＯＭ６２と、ＣＰＵ６１での各種の処理過程で利用するワークエリア、各種データを格納するデータ記憶エリアなどを有する読み出し書き込み自在のメモリであるＲＡＭ６３と、を有し、これらがバスラインによって接続されている。

次に、上述した構成のガス濃度検出装置１の検出原理について説明する。まず、還元雰囲気中の水蒸気及びＣＯ₂の混合濃度とＨ₂濃度との検出原理について説明する。本発明者らは、Ｈ₂Ｏ＝２％、Ｈ₂＝１％の還元雰囲気中、Ｈ₂Ｏ＝２％、Ｈ₂＝２％の還元雰囲気中のそれぞれにおいて固体電解質２１に対する印加電圧を−１．５Ｖ〜＋１．５Ｖの範囲で変えたときの出力電流を測定した。結果を図２及び図３に示す。なお、本実施形態においては、印加電圧のプラス（＋）は電極２２Ａ側を陽極、電極２２Ｂ側を陰極とする電圧を表し、電流のプラス（＋）は電極２２Ａ側から電極２２Ｂ側に流れる電流を表している。また、印加電圧のマイナス（−）は電極２２Ａ側を陰極、電極２２Ｂ側を陽極とする電圧を表し、電流のマイナス（−）は電極２２Ｂ側から電極２２Ａに流れる電流を表している。

図２及び図３（Ａ）に示すように、電極２２Ａ側を陽極、電極２２Ｂ側を陰極とする印加電圧が印加される第１象限において固体電解質２１に流れる飽和電流の大きさは、Ｈ₂濃度に影響しない値であることが分かった。一方、図２及び図３（Ｂ）に示すように、電極２２Ａ側を陰極、電極２２Ｂ側を陽極とする印加電圧が印加される第３象限において固体電解質２１に流れる飽和電流の大きさは、Ｈ₂濃度が大きくなるに従って大きくなる。

次に、本発明者らは、Ｈ₂＝２％、ＣＯ₂＝１０％、Ｈ₂Ｏ＝５％の還元雰囲気中、Ｈ₂＝２％、ＣＯ₂＝１０％、Ｈ₂Ｏ＝１０％の還元雰囲気中、Ｈ₂＝２％、ＣＯ₂＝１０％、Ｈ₂Ｏ＝１５％の還元雰囲気中のそれぞれにおいて印加電圧を−１．５Ｖ〜＋１．５Ｖの範囲で変えたときの出力電流を測定した。結果を図４及び図５に示す。図４及び図５に示すように、第１象限において固体電解質２１に流れる飽和電流の大きさは、Ｈ₂Ｏ濃度が大きくなるに従って大きくなる。一方、図４に示すように、第３象限において固体電解質２１に流れる飽和電流の大きさは、Ｈ₂Ｏ濃度に影響しない値であることが分かった。

さらに、本発明者らは、Ｈ₂＝２％、Ｈ₂Ｏ＝２％、ＣＯ₂＝０％の還元雰囲気中、Ｈ₂＝２％、Ｈ₂Ｏ＝２％、ＣＯ₂＝５％の還元雰囲気中、Ｈ₂＝２％、Ｈ₂Ｏ＝２％、ＣＯ₂＝１０％の還元雰囲気中のそれぞれにおいて固体電解質２１に対する印加電圧を−１．５Ｖ〜＋１．５Ｖの範囲で変えたときの出力電流を測定した。結果を図６及び図７に示す。図６及び図７に示すように、第１象限において固体電解質２１に流れる飽和電流の大きさは、ＣＯ₂濃度が大きくなるに従って大きくなる。一方、図６に示すように、第３象限において固体電解質２１に流れる飽和電流の大きさは、ＣＯ₂濃度に影響しない値であることが分かった。以上のことから第１象限の飽和電流領域である印加電圧０．３Ｖ〜０．８Ｖを印加したときの出力電流が水蒸気及びＣＯ₂の混合濃度に応じた値として得られることが分かった。また、第３象限の飽和電流領域である印加電圧−０．３Ｖ〜−０．８Ｖを印加したときの出力電圧がＨ₂濃度に応じた値として得られることが分かった。

酸化雰囲気中の水蒸気及びＣＯ₂の混合濃度とＨ₂濃度との検出原理については、上述した背景技術で既に説明してあるのでここでは詳細な説明は省略する。次に、雰囲気が酸化雰囲気であるか還元雰囲気であるかを判別する方法について説明する。図８に示すように還元雰囲気中では固体電解質２１の分解が印加電圧０．８Ｖを超えてから起こり、第１象限の飽和電流領域を逸脱する。この結果、印加電圧０．８Ｖを超えた範囲では、印加電圧の増加に従って出力電流も増加して大きな値となる。これに対して、酸化雰囲気中では固体電解質２１の分解は還元雰囲気よりも大きい印加電圧１．８Ｖを超えてから起こる。このため、印加電圧０．８Ｖを超えた範囲において出力電流は還元雰囲気と酸化雰囲気とで大きな差が生じる。例えば、印加電圧１．２Ｖのとき還元雰囲気の出力電流は３ｍＡを下回ることがなく、酸化雰囲気の出力電流は３ｍＡを上回ることがない。そこで、本実施形態では、印加電圧１．２Ｖのときの出力電流が３ｍＡ以上であれば還元雰囲気と判別し、３ｍＡ未満であれば酸化雰囲気であると判別する。

次に、上記概略で説明したガス濃度検出装置１の詳細な動作を図９に基づいて参照して説明する。まず、電源のオンに応じてＣＰＵ６１は、ステップＳ１〜Ｓ３に進んで、酸化・還元判別手段として働き、雰囲気が酸化雰囲気であるか還元雰囲気であるかを判別する。即ち、ＣＰＵ６１は、定電圧回路３を制御して上述したように還元雰囲気中に固体電解質２１に流れる電流が飽和する飽和領域よりも大きい、１．２Ｖ（＝第３定電圧）の印加電圧を固体電解質２１に印加する（ステップＳ１）。このとき、ＣＰＵ６１は、電極２２Ａを陽極、電極２２Ｂを陰極となるように１．２Ｖの印加電圧を固体電解質２１に印加するように定電圧回路３を制御する。次に、ＣＰＵ６１は、電流検出回路４から固体電解質２１に流れる出力電流を取り込む（ステップＳ２）。その後、ＣＰＵ６１は、取り込んだ出力電流が３ｍＡ以上であれば（ステップＳ３でＹ）還元雰囲気と判別してステップＳ４〜Ｓ９に進んで還元雰囲気中のＨ₂濃度と水蒸気及びＣＯ₂の混合濃度とを検出する。

即ち、ＣＰＵ６１は、第１電圧印加手段として働き、定電圧回路３を制御して印加電圧０．３Ｖ〜０．８Ｖ（＝第１定電圧）を固体電解質２１に対して印加する（ステップＳ４）。このとき、ＣＰＵ６１は、電極２２Ａが陽極、電極２２Ｂが陰極となるように印加電圧を固体電解質２１に印加するように定電圧回路３を制御する。次に、ＣＰＵ６１は、電流検出回路４から固体電解質２１に流れる出力電流を取り込む（ステップＳ５）。そして、ＣＰＵ６１は、還元濃度検出手段として働き、ステップＳ５で取り込んだ出力電流に基づいて水蒸気及びＣＯ₂の混合濃度を検出する（ステップＳ６）。

次に、ＣＰＵ６１は、第１電圧印加手段として働き、定電圧回路３を制御して印加電圧−０．３Ｖ〜−０．８Ｖ（＝第２定電圧）を固体電解質２１に対して印加する（ステップＳ７）。このとき、ＣＰＵ６１は、電極２２Ａが陰極、電極２２Ｂが陽極となるように印加電圧を固体電解質２１に印加するように定電圧回路３を制御する。次に、ＣＰＵ６１は、電流検出回路４から固体電解質２１に流れる出力電流を取り込む（ステップＳ８）。そして、ＣＰＵ６１は、還元濃度検出手段として働き、ステップＳ８で取り込んだ出力電流に基づいてＨ₂濃度を検出した後（ステップＳ９）、ステップＳ１に戻る。

これに対して、ＣＰＵ６１は、取り込んだ出力電流が３ｍＡ未満であれば（ステップＳ３でＮ）酸化雰囲気と判別してステップＳ１０〜Ｓ１４に進んで酸化雰囲気中のＨ₂濃度と水蒸気及びＣＯ₂の混合濃度とを検出する。即ち、ＣＰＵ６１は、第２電圧印加手段として働き、定電圧回路３を制御して印加電圧０．３Ｖ〜０．８Ｖ（＝低電圧）を固体電解質２１に対して印加する（ステップＳ１０）。このとき、ＣＰＵ６１は、電極２２Ａが陽極、電極２２Ｂが陰極となるように印加電圧を固体電解質２１に印加するように定電圧回路３を制御する。

次に、ＣＰＵ６１は、第２電圧印加手段として働き、電流検出回路４から固体電解質２１に流れる出力電流を取り込む（ステップＳ１１）。その後、ＣＰＵ６１は、定電圧回路３を制御して印加電圧０．９Ｖ〜１．６Ｖ（＝高電圧）を固体電解質２１に対して印加する（ステップＳ１２）。このとき、ＣＰＵ６１は、電極２２Ａが陽極、電極２２Ｂが陰極となるように印加電圧を固体電解質２１に印加するように定電圧回路３を制御する。次に、ＣＰＵ６１は、電流検出回路４から固体電解質２１に流れる出力電流を取り込む（ステップＳ１３）。

そして、ＣＰＵ６１は、酸化濃度検出手段として働き、ステップＳ１１で取り込んだ出力電流とステップＳ１３で取り込んだ出力電流との差から酸化雰囲気中の水蒸気及びＣＯ₂の混合濃度を検出すると共にステップＳ１０で取り込んだ出力電流に基づいて酸化雰囲気中の酸素濃度を検出した後（ステップＳ１４）、ステップＳ１に戻る。

上述したガス濃度検出装置１によれば、ＣＰＵ６１が、雰囲気が酸化雰囲気であるか還元雰囲気であるかを判別し、還元雰囲気であると判別したときに定電圧回路３を制御して一対の電極２２Ａ、２２Ｂ間、即ち固体電解質２１に流れる電流が飽和するような電極２２Ａを陽極、電極２２Ｂを陰極とする印加電圧０．３Ｖ〜０．８Ｖを印加し、このときの出力電流に基づいて還元雰囲気中の水蒸気及びＣＯ₂の混合濃度を検出する。これにより、還元雰囲気中の水蒸気及びＣＯ₂の混合濃度を検出することができる。

また、上述したガス濃度検出装置１によれば、ＣＰＵ６１が、還元雰囲気であると判別したときに定電圧回路３を制御して上記印加電圧０．３Ｖ〜０．８Ｖ、及び、固体電解質２１に流れる電流が飽和するような電極２２Ａを陰極、電極２２Ｂを陽極とする印加電圧−０．３〜−０．８Ｖ、を交互に印加し、印加電圧−０．３〜−０．８Ｖが印加されているときの出力電流に基づいてＨ₂濃度を検出する。これにより、単一の限界電流式センサ２にて還元雰囲気中の水蒸気及びＣＯ₂の混合濃度の検出と、還元雰囲気中のＨ₂濃度の検出と、の両者の検出を行うことができる。

また、上述したガス濃度検出装置１によれば、ＣＰＵ６１が、還元雰囲気中に固体電解質２１に流れる電流が飽和する電圧領域０．３Ｖ〜０．８Ｖよりも大きい、電極２２Ａを陽極、電極２２Ｂを陰極とする印加電圧１．２Ｖを印加したときの出力電流に基づいて、酸化雰囲気であるか還元雰囲気であるかを判定している。これにより、限界電流式センサ２を用いて酸化雰囲気であるか還元雰囲気であるかを判別することができ、コストダウンを図ることができる。

上述したガス濃度検出装置１は、陶芸釜の還元雰囲気中の湿度管理に用いることができる。焼き物の色、焼き上がり状態は焼成中の還元雰囲気状態、湿度に影響されるので、それらをモニタすることで、生産管理の効率化が図れる。また、バイオマスプラントでの湿度管理に用いることができる。バイオマス燃料は有機物を発酵させ、メタンガスの抽出によって得られる。発酵工程で精度の高い湿度管理を行うことができれば製造工程の省エネルギー化を図ることができる。

なお、上述した実施形態によれば、ガス濃度検出装置１は、還元雰囲気の水蒸気及びＣＯ₂の混合濃度に加えて還元雰囲気のＨ₂濃度、酸化雰囲気の水蒸気及びＣＯ₂の混合濃度、酸化雰囲気の酸素濃度を検出できるように構成されていたが、本発明はこれに限ったものではない。例えば、還元雰囲気の水蒸気及びＣＯ₂の混合濃度のみを検出できるようにしてもよいし、還元雰囲気の水蒸気及びＣＯ₂の混合濃度とＨ₂濃度のみを検出できるようにしてもよいし、還元雰囲気の水蒸気及びＣＯ₂の混合濃度と酸化雰囲気の水蒸気及びＣＯ₂の混合濃度のみを検出できるようにしてもよい。

また、上述した実施形態によれば、酸化雰囲気であるか還元雰囲気であるかは固体電解質２１に流れる出力電流に基づいて判定していたが、本発明はこれに限ったものではない。例えば、特開平１−１１９７４９号公報に記載されているように、ガス温度の変動を受け入れず空気過剰率λ＝１のところで抵抗が急減する電極対を固体電解質２１の両面に設けて、電極対間の抵抗に基づいて判定することも考えられる。

また、前述した実施形態は本発明の代表的な形態を示したに過ぎず、本発明は、実施形態に限定されるものではない。即ち、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

本発明によるガス濃度検出装置の一実施の形態を示す図である。 Ｈ₂Ｏ＝２％、Ｈ₂＝１％の還元雰囲気中、Ｈ₂Ｏ＝２％、Ｈ₂＝２％の還元雰囲気中のそれぞれにおいて固体電解質に対する印加電圧を−１．５Ｖ〜＋１．５Ｖの範囲で変えたときの出力電流を示すグラフである。 （Ａ）はＨ₂Ｏ＝２％の還元雰囲気中のＨ₂濃度を１％、２％と変えたときの第３象限における飽和電流を示すグラフであり、（Ｂ）はＨ₂Ｏ＝２％の還元雰囲気中のＨ₂濃度を１％、２％と変えたときの第３象限における飽和電流を示すグラフである。 Ｈ₂＝２％、ＣＯ₂＝１０％、Ｈ₂Ｏ＝５％の還元雰囲気中、Ｈ₂＝２％、ＣＯ₂＝１０％、Ｈ₂Ｏ＝１０％の還元雰囲気中、Ｈ₂＝２％、ＣＯ₂＝１０％、Ｈ₂Ｏ＝１５％の還元雰囲気中のそれぞれにおいて固体電解質に対する印加電圧を−１．５Ｖ〜＋１．５Ｖの範囲で変えたときの出力電流を示すグラフである。 Ｈ₂＝２％、ＣＯ₂＝１０％の還元雰囲気のＨ₂Ｏ濃度を５％、１０％、１５％と変えたときの第１象限における飽和電流を示すグラフである。 Ｈ₂＝２％、Ｈ₂Ｏ＝２％、ＣＯ₂＝０％の還元雰囲気中、Ｈ₂＝２％、Ｈ₂Ｏ＝２％、ＣＯ₂＝５％の還元雰囲気中、Ｈ₂＝２％、Ｈ₂Ｏ＝２％、ＣＯ₂＝１０％の還元雰囲気中のそれぞれにおいて固体電解質に対する印加電圧を−１．５Ｖ〜＋１．５Ｖの範囲で変えたときの出力電流を示すグラフである。 Ｈ₂＝２％、Ｈ₂Ｏ＝２％の還元雰囲気のＣＯ₂濃度を０％、５％、１０％と変えたときの第１象限における飽和電流を示すグラフである。 酸化雰囲気（Ｈ₂＝０％）、還元雰囲気（Ｈ₂＝２％）のそれぞれにおける印加電圧と出力電流との関係を示すグラフである。 図１のガス濃度検出装置を構成するＣＰＵの処理手順を示すフローチャートである。 （Ａ）は固定電解質に対する印加電圧と出力電流との関係を示すグラフであり、（Ｂ）は酸素濃度と出力電流との関係を示すグラフである。 ＣＯ₂が混合された酸化雰囲気中のＣＯ₂濃度を０％、５％、１０％、１５％と変えたときの印加電圧と出力電流との関係を示すグラフである。 水蒸気（８０．４ｇ／ｍ³）及びＣＯ₂が混合された酸化雰囲気中のＣＯ₂濃度を０％、５％、１０％、１５％と変えたときの印加電圧と出力電流との関係を示すグラフである。 ＣＯ₂濃度を変化させたときのＨ₂Ｏ濃度と出力電流との関係を示すグラフである。

符号の説明

１ ガス濃度検出装置
２ 限界電流式センサ
３ 定電圧回路
２１ 固体電解質
２２Ａ 電極（電極対の一方）
２２Ｂ 電極（電極対の他方）
２３ アルミナ多孔質基板（ガス律速体）
６１ ＣＰＵ（酸化・還元判別手段、第１電圧印加手段、還元濃度検出手段、第２電圧印加手段、酸化濃度検出手段）

Claims (4)

1. 還元雰囲気中の水蒸気及び二酸化炭素の混合濃度を検出するガス濃度検出装置であって、
   酸素イオン伝導性を有する固体電解質、該固体電解質の両面に設けられた電極対、及び、前記固体電解質の一面に前記電極対の一方を挟んで設けられたガス律速体からなる限界電流式センサと、
   雰囲気が酸化雰囲気であるか還元雰囲気であるかを判別する酸化・還元判別手段と、
   前記電極対間に定電圧を印加する定電圧回路と、
   前記酸化・還元判別手段が還元雰囲気であると判別したときに前記定電圧回路を制御して前記電極対間に流れる電流が飽和するような前記電極対の一方を陽極、他方を陰極とする第１定電圧を印加する第１電圧印加手段と、
   前記第１電圧印加手段により前記第１定電圧が印加されているときに前記電極対間に流れる電流に基づいて前記還元雰囲気中の水蒸気及び二酸化炭素の混合濃度を検出する還元濃度検出手段と、
   を備えたことを特徴とするガス濃度検出装置。
2. 前記第１電圧印加手段が、前記酸化・還元判別手段が還元雰囲気であると判別したときに前記定電圧回路を制御して前記第１定電圧、及び、前記電極対間に流れる電流が飽和するような前記電極対の一方を陰極、他方を陽極とする第２定電圧、を交互に印加するように設定され、
   前記還元濃度検出手段が、前記第１電圧印加手段により前記第２定電圧が印加されているときに前記電極対間に流れる電流に基づいて可燃性ガス濃度を検出するように設定されている
   ことを特徴とする請求項１に記載のガス濃度検出装置。
3. 前記酸化・還元判別手段が酸化雰囲気であると判別したときに前記定電圧回路を制御して前記電極対間に流れる電流が飽和するような前記電極対の一方を陽極、他方を陰極とする低電圧、及び、前記低電圧を印加したときよりも高い値で前記電極対間に流れる電流が飽和するような前記電極対の一方を陽極、他方を陰極とする高電圧、を交互に印加する第２電圧印加手段と、
   前記第２電圧印加手段により前記低電圧を印加したときに前記電極対に流れる電流、及び、前記高電圧を印加したときに前記電極対に流れる電流、の差に基づいて前記酸化雰囲気中の水蒸気及び前記二酸化炭素の濃度を検出する酸化濃度検出手段と、
   を備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載のガス濃度検出装置。
4. 前記酸化・還元判別手段は、前記還元雰囲気中に電極対間に流れる電流が飽和する電圧領域よりも大きい、前記電極対の一方を陽極、他方を陰極とする第３定電圧を印加したときの前記電極対間に流れる電流に基づいて判定するように設定されていることを特徴とする請求項１〜３何れか１項に記載のガス濃度検出装置。

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