JP2010054295A - 酸素濃度測定ユニット及び酸素濃度測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】酸素濃度の測定精度を向上させることが可能な酸素濃度測定ユニット及び酸素濃度測定方法を提供する。
【解決手段】酸素濃度測定ユニット１は、演算部３２及び操作部３３を有している。操作部３３はバランスガスのガス種を設定するものである。また、演算部３２は補正部３２ｂを有し、補正部３２ｂは、操作部３３により設定されたバランスガスのガス種に応じて、電流検出部３２ａにより検出された限界電流の値を補正する。これにより、濃度算出部３２ｃは、補正された限界電流の値に基づいて、酸素濃度を算出することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、酸素濃度測定ユニット及び酸素濃度測定方法に関する。

従来、不活性ガス中の酸素濃度に応じて陰極層と陽極層との間に限界電流が流れる限界電流式酸素センサが提案されている（例えば特許文献１参照）。この限界電流式酸素センサは、固体電解質層を陰極層と陽極層とで挟み込み、陰極層のうち固体電解質層と接する側と反対側に、酸素ガスの律速体として機能する多孔質のガス拡散律速用拡散層を設けた構成となっている。

このような限界電流式酸素センサでは、ガス拡散律速用拡散層を通じて酸素ガスが陰極層に供給される。陰極層と陽極層との間には所定電圧が印加されており、陰極層に供給された酸素ガスは電子を受け取って酸素イオン化する。そして、酸素イオンは、固体電解質層内を陽極層に向かって移動し、陽極層において電子を放出して再度酸素ガスとなる。

以上のように、陰極層と陽極層との間には、酸素イオンをキャリアとして電流が流れることとなる。また、この電流は酸素濃度に応じてある値で飽和するようになっている。この飽和時の電流値を限界電流という。酸素濃度測定ユニットは、限界電流式酸素センサの限界電流を検出することで、酸素濃度が測定可能となっている。
特開２００４−９３２７３号公報

しかし、限界電流式酸素センサの限界電流の値は、バランスガスとなる不活性ガスのガス種に影響を受けて変化してしまう。例えば、バランスガスが窒素である場合と、ヘリウムやアルゴンである場合とでは、同じ酸素濃度であっても得られる限界電流の値が異なってしまう。よって、限界電流の値に基づいて酸素濃度を測定しようとした場合、バランスガスのガス種によっては正確に酸素濃度を測定できなくなる可能性がある。なお、この問題は、ガス拡散律速用拡散層を用いた限界電流式酸素センサに限らず、ピンホールを用いた限界電流式酸素センサにも共通する問題である。

本発明はこのような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、酸素濃度の測定精度を向上させることが可能な酸素濃度測定ユニット及び酸素濃度測定方法を提供することにある。

本発明の酸素濃度測定ユニットは、不活性ガス中の酸素濃度に応じて陰極層と陽極層との間に限界電流が流れる限界電流式酸素センサと、限界電流の値を検出する電流検出手段と、不活性ガスのガス種を設定する設定手段と、設定手段により設定されたガス種に応じて、電流検出手段により検出された電流値を補正する補正手段と、補正手段により補正された電流値に基づいて、酸素濃度を算出する酸素濃度算出手段と、を備えることを特徴とする。

また、本発明の酸素濃度測定ユニットにおいて、不活性ガスのガス種に応じた補正係数を記憶した記憶手段をさらに備え、補正手段は、電流検出手段により検出された電流値に、記憶手段に記憶された補正係数を乗ずることにより補正をすることが好ましい。

また、本発明の酸素濃度測定方法は、不活性ガス中の酸素濃度に応じて陰極層と陽極層との間に限界電流が流れる限界電流式酸素センサを備えた酸素濃度測定ユニットの酸素濃度測定方法であって、限界電流の値を検出する電流検出工程と、不活性ガスのガス種を設定する設定工程と、設定工程において設定されたガス種に応じて、電流検出工程において検出された電流値を補正する補正工程と、補正工程において補正された電流値に基づいて、酸素濃度を算出する酸素濃度算出工程と、を有することを特徴とする。

また、本発明の酸素濃度測定方法において、補正工程では、電流検出工程において検出された電流値に、予め記憶された補正係数を乗ずることにより補正をすることが好ましい。

本発明によれば、不活性ガスのガス種に応じて、検出された限界電流の値を補正し、補正された電流値に基づいて酸素濃度を算出する。このため、不活性ガスのガス種によって限界電流の値が異なってしまう場合であっても、指定された不活性ガスのガス種に応じて限界電流の値が補正されることとなり、酸素濃度に応じた限界電流の値の情報が得られることとなる。従って、酸素濃度の測定精度を向上させることができる。

また、検出された限界電流の値に補正係数を乗ずることで補正を行うため、簡易な演算により酸素濃度の測定精度を向上させることができる。

以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の実施形態に係る酸素濃度測定ユニットを示す構成図である。同図に示す酸素濃度測定ユニット１は、限界電流式酸素センサ１０と、加熱部２０と、酸素濃度測定部３０とを備えている。

限界電流式酸素センサ１０は、不活性ガスからなるバランスガス中の酸素濃度に応じて限界電流が流れるものであって、陰極層１１、陽極層１２、固体電解質層１３、及び、ガス拡散律速用拡散層１４を備えている。陰極層１１及び陽極層１２は、白金等からなる多孔質の電極である。固体電解質層１３は、陰極層１１と陽極層１２との間に配置される安定化ジルコニア等の部材であって、酸素イオン伝導性を有している。ガス拡散律速用拡散層１４は、拡散律速された酸素ガスを陰極層１１へ供給する酸素ガス律速体として機能するアルミナ等の多孔質基板である。

この限界電流式酸素センサ１０では、酸素ガスがガス拡散用律速拡散層１４を通じて陰極層１１に至り、陰極層１１において電子を受け取ってイオン化する。そして、酸素イオンは、固体電解質層１３を通じて陽極層１２に至り、陽極層１２において電子を放出して、再度酸素ガスとなる。このように、限界電流式酸素センサ１０は、酸素イオンをキャリアとして陰極層１１と陽極層１２との間に限界電流が流れる構造となっている。

加熱部２０は、限界電流式酸素センサ１０の固体電解質層１３を加熱してイオン伝導率を高めるものであって、ヒータ抵抗２１と、電源２２と、定抵抗回路２３とを備えている。ヒータ抵抗２１は、ガス拡散律速用拡散層１４のうち陰極層１１が設けられる面と反対面に設けられる抵抗体であって、限界電流式酸素センサ１０を加熱するものである。電源２２は、ヒータ抵抗２１に電圧を印加するものである。定抵抗回路２３は、ヒータ抵抗２１により加熱される限界電流式酸素センサ１０の温度を略一定に保つように機能するものである。

ここで、定抵抗回路２３の動作を説明する。まず、風などの影響によってヒータ抵抗２１の温度が変化するとする。これにより、ヒータ抵抗２１の抵抗値が変化する。この変化に応じて定抵抗回路２３は動作し、ヒータ抵抗２１への印加電圧を変化させ、限界電流式酸素センサ１０の温度を略一定に保つ。このように、定抵抗回路２３は、限界電流式酸素センサ１０の温度が変化しようとする場合に、ヒータ抵抗２１への印加電圧を変化させて、限界電流式酸素センサ１０の温度を一定に保つ。

酸素濃度測定部３０は、限界電流の値を測定して酸素濃度を算出するものであって、電源３１と、演算部３２と、操作部（設定手段）３３とを備えている。電源３１は、陰極層１１と陽極層１２とに電圧を印加するものである。演算部３２は、電流検出部（電流検出手段）３２ａと、補正部（補正手段）３２ｂと、濃度算出部（酸素濃度算出手段）３２ｃと、記憶部（記憶手段）３２ｄとを有している。電流検出部３２ａは、陰極層１１と陽極層１２とに流れる限界電流の値を検出するものである。

操作部３３は、バランスガスのガス種を設定する設定操作をユーザから受け付けるものである。補正部３２ｂは、操作部３３を介して設定されたガス種に応じて、電流検出部３２ａにより検出された限界電流の値を補正するものである。ここで、限界電流の値はバランスガスのガス種によって変化する特性がある。具体的に限界電流の値Ｉは式（１）により表すことができる。
Ｉ＝４Ｆ・Ｄ_{（Ｏ２−Ｂ）ｋｎ}・Ｓｃ／Ｌ・Ｃ_Ｏ２ （１）
なお、Ｆは、ファラデー定数であり、Ｄ_{（Ｏ２−Ｂ）ｋｎ}はバランスガス下での酸素の拡散係数である。また、Ｓｃは陽極層１２の面積であり、Ｌはガス拡散律速用拡散層１４の厚さであり、Ｃ_Ｏ２は酸素分圧である。

また、Ｄ_{（Ｏ２−Ｂ）ｋｎ}は、式（２）により表すことができる。
Ｄ_{（Ｏ２−Ｂ）ｋｎ}＝Ｄ_Ｏ２ｋｎ（１−Ｃ_Ｂ・Ｄ_Ｂｋｎ） （２）
ここで、Ｄ_Ｏ２ｋｎは酸素の拡散係数であり、Ｃ_Ｂはバランスガスの分圧であり、Ｄ_Ｂｋｎはバランスガスの拡散係数である。

式（１）及び式（２）から明らかなように、バランスガス下での酸素の拡散係数（Ｄ_{（Ｏ２−Ｂ）ｋｎ}）は、バランスガスのガス種によって変化する値である。従って、限界電流の値Ｉは、バランスガスのガス種によって変化する特性があるといえる。補正部３２ｂは、このような特性に基づいて、電流検出部３２ａにより検出された限界電流の値を補正することとなる。

より具体的に補正部３２ｂは、バランスガスが窒素である場合を基準とした補正式（３）に基づき、電流検出部３２ａにより検出された限界電流の値Ｉ_Ｂを電流値Ｉ_Ｂｃｏに補正する。
Ｉ_Ｂｃｏ＝α・Ｉ_Ｂ （３）
ここで、αはバランスガスのガス種に応じた補正係数である。なお、式（３）はバランスガスが窒素である場合を基準としているため、バランスガスが窒素である場合にαの値は「１」となる。

また、αの値は、Ｉ_Ｎ２ｃａ／Ｉ_Ｂｃａによって表すことができる。ここで、Ｉ_Ｎ２ｃａは式（１）及び式（２）のバランスガスを窒素とした場合に得られる限界電流の値であり、Ｉ_Ｂｃａは式（１）及び式（２）のバランスガスを窒素以外の不活性ガスとした場合に得られる限界電流の値である。なお、Ｉ_Ｂｃａの値は、バランスガスのガス種によって変化する値であり、例えばバランスガスがアルゴンである場合とヘリウムである場合とでは異なる値となる。

濃度算出部３２ｃは、補正部３２ｂにより補正された限界電流の値に応じて酸素濃度を算出するものである。記憶部３２ｄは、酸素濃度算出に必要となる演算式を記憶したものである。また、記憶部３２ｄは、上記に加えて、バランスガスのガス種に応じた補正係数αをガス種毎に記憶している。

上記の如く、本実施形態に係る酸素濃度測定ユニット１は、バランスガスのガス種に応じて限界電流の値を補正し、補正された電流値に基づいて酸素濃度を算出している。このため、酸素濃度の測定精度を向上させることができる。

次に、本実施形態に係る酸素濃度測定方法を説明する。図２は、本実施形態に係る酸素濃度測定方法を示すフローチャートである。まず、ユーザは、加熱部２０のヒータ抵抗２１に所定電圧を印加して、固体電解質層１３を所定の温度まで加熱すると共に、陰極層１１及び陽極層１２に所定の電圧を印加する。

そして、図２に示すフローチャートが実行される。まず、演算部３２は操作部３３を介してバランスガスのガス種が設定されているか否かを判断する（Ｓ１）。ガス種が設定されていないと判断した場合（Ｓ１：ＮＯ）、ガス種が設定されたと判断されるまで、この処理が繰り返される。

一方、ガス種が設定されたと判断した場合（Ｓ１：ＹＥＳ）、電流検出部３２ａは限界電流の値を検出する（Ｓ２）。その後、補正部３２ｂは、設定されたガス種に応じた補正係数を記憶部３２ｃから読み出す（Ｓ３）。そして、補正部３２ｂは、ステップＳ２において検出された電流値に、ステップＳ３において読み出された補正係数を乗ずることにより補正をする（Ｓ４）。

次に、濃度算出部３２ｃは、ステップＳ４において補正された電流値に基づいて酸素濃度を算出する（Ｓ５）。その後、図２に示す処理は終了する。なお、図２に示す処理は酸素濃度測定ユニット１の電源がオフされるまで、繰り返し実行される。

図３は、本実施形態に係る酸素濃度測定ユニット１による補正結果を示すグラフである。なお、図３において横軸は酸素濃度を示し、縦軸は限界電流を示している。

例えば酸素濃度が２０％である場合、バランスガスが窒素であるとき、限界電流の実測値は約「９０」（任意単位）を示している。これに対し、バランスガスがヘリウムであるとき、限界電流の実測値は約「７０」（任意単位）を示し、バランスガスがアルゴンであるとき、限界電流の実測値は約「９５」（任意単位）を示している。このように、同じ酸素濃度であっても限界電流値はバランスガスが窒素、ヘリウム及びアルゴンのそれぞれで異なっている。よって、バランスガスが窒素である場合には酸素濃度を２０％と正確に算出するとしても、バランスガスがヘリウムやアルゴンである場合には、酸素濃度を２０％と算出しなくなってしまう。

ところが、本実施形態では記憶部３２ｄにバランスガス毎の補正係数を記憶しており、補正部３２ｂによって補正を行っている。このため、酸素濃度が２０％である場合、バランスガスがヘリウムであってもアルゴンであっても、限界電流は約「７０」に補正される。これにより、バランスガスがヘリウムやアルゴンである場合であっても、酸素濃度は２０％と算出されることとなる。よって、本実施形態では、バランスガスのガス種に拘わらず、酸素濃度の測定精度が向上することとなる。

なお、本実施形態では酸素濃度が２０％の場合に限らず、他の酸素濃度であっても測定精度は向上する。例えば、酸素濃度が１０％である場合、バランスガスが窒素であるとき、限界電流の実測値は約「４５」（任意単位）を示している。これに対し、バランスガスがヘリウムであるとき、限界電流の実測値は約「３５」（任意単位）を示し、バランスガスがアルゴンであるとき、限界電流の実測値は約「４７」（任意単位）を示している。ところが本実施形態では、バランスガスがヘリウムであってもアルゴンであっても、限界電流は約「４５」に補正される。これにより、酸素濃度の測定精度が向上することとなる。

このようにして、本実施形態に係る酸素濃度測定ユニット１及び酸素濃度測定方法によれば、不活性ガスのガス種に応じて、検出された限界電流の値を補正し、補正された電流値に基づいて酸素濃度を算出する。このため、不活性ガスのガス種によって限界電流の値が異なってしまう場合であっても、指定された不活性ガスのガス種に応じて限界電流の値が補正されることとなり、酸素濃度に応じた限界電流の値の情報が得られることとなる。従って、酸素濃度の測定精度を向上させることができる。

また、検出された限界電流の値に補正係数を乗ずることで補正を行うため、簡易な演算により酸素濃度の測定精度を向上させることができる。

以上、実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、変更を加えてもよい。例えば、本実施形態ではガス拡散律速用拡散層１４を有する限界電流式酸素センサ１０を例に説明したが、これに限らず、限界電流式酸素センサ１０はピンホールを用いた方式のものであってもよい。

また、本実施形態において記憶部３２ｄは、バランスガス毎に１つだけ補正係数を記憶していてもよいし、バランスガス毎に複数の補正係数を記憶していてもよい。ここで、複数の補正係数を記憶している場合には以下のような利点がある。図３に示すように、酸素濃度５０％以下の領域では、酸素濃度が高くなるにつれて実測値と補正値との差が小さくなっているのに対し、酸素濃度５０％を超える領域では、酸素濃度が高くなるにつれて実測値と補正値との差が小さくなっている。このため、補正係数が１つだけであると、正確な補正を行えなくなってしまう。ところが、補正係数を複数記憶しておくことにより、低濃度領域から高濃度領域に亘って正確な補正を行うことが可能となり、酸素濃度の測定精度を向上させることができる。なお、複数の補正係数を記憶しておく場合、補正部３２ｂは、電流検出部３２ａによって検出された限界電流の値に基づいて、記憶部３２ｄから補正するのに適切な補正係数を１つ読み出して補正を実行することとなる。

また、１つだけの補正係数を有する場合には以下のような利点がある。一般的に限界電流式酸素センサは低濃度（例えば１０００ｐｐｍなど）の酸素濃度を検出する用途に用いられることが多い。このため、低濃度から高濃度に亘って酸素濃度を検出する必要がなく、ある程度限られた濃度領域を対象に酸素濃度を検出する場合には、複数の補正係数を記憶していなかったとしても、酸素濃度の測定精度を向上させることができる。よって、補正係数を１つだけ記憶することにより、記憶部３２ｄの記憶量の削減、及びプログラムの簡素化につなげつつ、酸素濃度の測定精度を向上させることができる。

本発明の実施形態に係る酸素濃度測定ユニットを示す構成図である。 本実施形態に係る酸素濃度測定方法を示すフローチャートである。 本実施形態に係る酸素濃度測定ユニットによる補正結果を示すグラフである。

符号の説明

１…酸素濃度測定ユニット
１０…限界電流式酸素センサ
１１…陰極層
１２…陽極層
１３…固体電解質層
１４…ガス拡散律速用拡散層
２０…加熱部
２１…ヒータ抵抗
２２…電源
２３…定抵抗回路
３０…酸素濃度測定部
３１…電源
３２…演算部
３２ａ…電流検出部（電流検出手段）
３２ｂ…補正部（補正手段）
３２ｃ…濃度算出部（酸素濃度算出手段）
３２ｄ…記憶部（記憶手段）
３３…操作部（設定手段）

Claims (4)

1. 不活性ガス中の酸素濃度に応じて陰極層と陽極層との間に限界電流が流れる限界電流式酸素センサと、
   前記限界電流の値を検出する電流検出手段と、
   前記不活性ガスのガス種を設定する設定手段と、
   前記設定手段により設定されたガス種に応じて、前記電流検出手段により検出された電流値を補正する補正手段と、
   前記補正手段により補正された電流値に基づいて、酸素濃度を算出する酸素濃度算出手段と、
   を備えることを特徴とする酸素濃度測定ユニット。
2. 前記不活性ガスのガス種に応じた補正係数を記憶した記憶手段をさらに備え、
   前記補正手段は、前記電流検出手段により検出された電流値に、前記記憶手段に記憶された補正係数を乗ずることにより補正をする
   ことを特徴とする請求項１に記載の酸素濃度測定ユニット。
3. 不活性ガス中の酸素濃度に応じて陰極層と陽極層との間に限界電流が流れる限界電流式酸素センサを備えた酸素濃度測定ユニットの酸素濃度測定方法であって、
   前記限界電流の値を検出する電流検出工程と、
   前記不活性ガスのガス種を設定する設定工程と、
   前記設定工程において設定されたガス種に応じて、前記電流検出工程において検出された電流値を補正する補正工程と、
   前記補正工程において補正された電流値に基づいて、酸素濃度を算出する酸素濃度算出工程と、
   を有することを特徴とする酸素濃度測定方法。
4. 前記補正工程では、前記電流検出工程において検出された電流値に、予め記憶された補正係数を乗ずることにより補正をする
   ことを特徴とする請求項３に記載の酸素濃度測定方法。

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