JP2015004645A - Oxygen concentration measurement device - Google Patents

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保憲 青木
Yasunori Aoki
保憲 青木
研太郎 森田
Kentaro Morita
研太郎 森田
幸子 新
Sachiko Arata
幸子 新
司郎 苗村
Shiro Naemura
司郎 苗村
孝幸 松本
Takayuki Matsumoto
孝幸 松本
宏之 大木
Hiroyuki Oki
宏之 大木
了三 酒井
Ryozo Sakai
了三 酒井
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an oxygen concentration measurement device being compact in size and also capable of controlling the supply amount of a reference gas with high accuracy.SOLUTION: An oxygen concentration measurement device according to the present invention has a zirconia element connected to an external electrode on a side in contact with a measurement gas to be measured and an internal electrode on a side in contact with a reference gas, the zirconia element generating an electromotive force in accordance with a difference between the oxygen concentration of the measurement gas and the oxygen concentration of the reference gas, and measures an oxygen concentration in accordance with the magnitude of the generated electromotive force. The oxygen concentration measurement device is provided with a reference gas supply part having a vibrator vibrating in accordance with an electric signal, the reference gas supply part being connected to a supply port through which the reference gas is supplied and supplying the reference gas by a vibration corresponding to the electric signal of a vibrator, for example, a piezoelectric element.

Description

本発明は、各種の炉内雰囲気中の酸素濃度を測定する酸素濃度測定装置に関する。特に小型で、しかも基準ガスの供給量を高い精度で制御することが可能な酸素濃度測定装置に関する。   The present invention relates to an oxygen concentration measuring apparatus for measuring oxygen concentrations in various furnace atmospheres. In particular, the present invention relates to an oxygen concentration measuring apparatus that is small and that can control the supply amount of a reference gas with high accuracy.

金属部品の熱処理、表面処理等に用いる炉内では、酸素は非常に微量である。このような微量の酸素を測定するために、主としてセラミックスを用いた酸素濃度測定装置が採用されている。   In a furnace used for heat treatment, surface treatment, etc. of metal parts, oxygen is very small. In order to measure such a small amount of oxygen, an oxygen concentration measuring apparatus mainly using ceramics is employed.

特許文献1には、固体電解質素子を用いて、測定ガス中の水蒸気濃度を測定する水分測定装置が開示されている。特許文献1に開示された水分測定装置では、ポンプを動作させることにより、比較ガス(基準ガス)をガス溜室へ導入している。   Patent Document 1 discloses a moisture measuring device that measures a water vapor concentration in a measurement gas using a solid electrolyte element. In the moisture measuring device disclosed in Patent Document 1, a reference gas (reference gas) is introduced into a gas reservoir chamber by operating a pump.

また、特許文献2には、直挿式酸素センサへの基準ガスの供給方法が特許文献1とは相違する酸素分圧測定装置が開示されている。特許文献2に開示された酸素分圧測定装置では、ボンベを用いて所定の酸素分圧に調整された基準ガスを中空部材へ供給している。   Further, Patent Document 2 discloses an oxygen partial pressure measuring device in which a reference gas supply method to a direct insertion type oxygen sensor is different from that of Patent Document 1. In the oxygen partial pressure measuring device disclosed in Patent Document 2, a reference gas adjusted to a predetermined oxygen partial pressure is supplied to a hollow member using a cylinder.

特開昭60−114765号公報JP 60-114765 A 特開平07−159370号公報JP 07-159370 A

特許文献1に開示された酸素濃度検出器及び特許文献2に開示された酸素分圧測定装置では、いずれも酸素濃度を測定するための起電力を生じさせるセンサ部(電極部)と、生じた起電力に基づいて酸素濃度を検出するデータ処理部とが、酸素センサ本体を挿入する外壁部分で分離されており、比較的温度変化の大きくないデータ処理部に、基準ガス供給用のポンプあるいはボンベが配置されている。したがって、データ処理部を小型化することが困難であり、装置全体として大型化するおそれがあるという問題点があった。   In the oxygen concentration detector disclosed in Patent Document 1 and the oxygen partial pressure measuring device disclosed in Patent Document 2, both a sensor unit (electrode unit) that generates an electromotive force for measuring the oxygen concentration was generated. The data processing unit for detecting the oxygen concentration based on the electromotive force is separated by the outer wall portion into which the oxygen sensor main body is inserted, and a reference gas supply pump or cylinder is connected to the data processing unit that does not have a relatively large temperature change. Is arranged. Therefore, there is a problem that it is difficult to reduce the size of the data processing unit, and there is a possibility that the entire apparatus may be increased in size.

また、ポンプで基準ガスを供給する場合、ポンプ駆動による振動、騒音等を低減することが困難であり、しかも基準ガスの供給量を調整する精度を高めることも困難である。同様に、ボンベで基準ガスを供給する場合、ボンベ内の基準ガスの残量に応じてボンベの交換作業を余儀なくされるため、作業が煩雑となる。   Further, when the reference gas is supplied by the pump, it is difficult to reduce vibration, noise, and the like due to the pump drive, and it is also difficult to increase the accuracy of adjusting the supply amount of the reference gas. Similarly, when the reference gas is supplied from the cylinder, the cylinder needs to be replaced in accordance with the remaining amount of the reference gas in the cylinder, so that the operation becomes complicated.

本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、小型で、しかも基準ガスの供給量を高い精度で制御することが可能な酸素濃度測定装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide an oxygen concentration measuring apparatus that is small in size and capable of controlling the supply amount of a reference gas with high accuracy.

上記目的を達成するために本発明に係る酸素濃度測定装置は、測定対象となる測定ガスと接触する側において外部電極と、基準ガスと接触する側において内部電極と、それぞれ接続され、前記測定ガスの酸素濃度と前記基準ガスの酸素濃度との差に応じて起電力を発生するジルコニア素子を有し、発生する起電力の大きさに応じて酸素濃度を測定する酸素濃度測定装置において、電気信号に応じて振動する振動子を有する基準ガス供給部を備え、該基準ガス供給部は、前記基準ガスを装置内部へ供給する供給口に連結され、前記振動子の電気信号に応じた振動により前記基準ガスを供給することを特徴とする。   In order to achieve the above object, an oxygen concentration measuring apparatus according to the present invention is connected to an external electrode on a side in contact with a measurement gas to be measured and an internal electrode on a side in contact with a reference gas, respectively. In an oxygen concentration measurement apparatus that has a zirconia element that generates an electromotive force according to the difference between the oxygen concentration of the reference gas and the oxygen concentration of the reference gas, and that measures the oxygen concentration according to the magnitude of the generated electromotive force, A reference gas supply unit having a vibrator that vibrates in accordance with the reference gas supply unit, which is connected to a supply port that supplies the reference gas to the inside of the apparatus. A reference gas is supplied.

上記構成では、電気信号に応じて振動する振動子を有する基準ガス供給部が基準ガスを装置内部へ供給する供給口に連結され、振動子の電気信号に応じた振動により基準ガスを供給するので、センサ部の外部に基準ガスを供給するためのポンプ、ボンベ、配管等を設置するスペースを必要とせず、基準ガスの供給量を振動子の振動数により制御することができるので、振動子を振動させる電流又は電圧を制御することにより基準ガスの供給量を高い精度で制御することが可能となる。   In the above configuration, the reference gas supply unit having the vibrator that vibrates according to the electric signal is connected to the supply port that supplies the reference gas to the inside of the apparatus, and the reference gas is supplied by the vibration according to the electric signal of the vibrator. Since the space for installing the pump, cylinder, piping, etc. for supplying the reference gas to the outside of the sensor unit is not required, the supply amount of the reference gas can be controlled by the vibration frequency of the vibrator. By controlling the current or voltage to be oscillated, it becomes possible to control the supply amount of the reference gas with high accuracy.

また、本発明に係る酸素濃度測定装置は、前記基準ガス供給部は、前記振動子として圧電素子を用いることが好ましい。   In the oxygen concentration measuring apparatus according to the present invention, the reference gas supply unit preferably uses a piezoelectric element as the vibrator.

上記構成では、振動子として圧電素子を用いているので、ポンプ等に比べて騒音が小さく、しかも少ない消費電力で基準ガスを供給することができる。   In the above configuration, since the piezoelectric element is used as the vibrator, the reference gas can be supplied with less noise and less power consumption than a pump or the like.

また、本発明に係る酸素濃度測定装置は、前記圧電素子は、前記基準ガスを供給する方向と直交して配置され、前記基準ガスを供給する方向に沿って振動することが好ましい。   In the oxygen concentration measuring apparatus according to the present invention, it is preferable that the piezoelectric element is arranged orthogonal to a direction in which the reference gas is supplied and vibrates along the direction in which the reference gas is supplied.

上記構成では、圧電素子は、基準ガスを供給する方向と直交して配置され、基準ガスを供給する方向に沿って振動するので、装置全体の長さを短くすることができるとともに、噴出圧力が脈動することなく均一となるように一定の噴出圧力で基準ガスを供給することができる。   In the above configuration, the piezoelectric element is arranged orthogonal to the direction in which the reference gas is supplied and vibrates along the direction in which the reference gas is supplied. Therefore, the overall length of the apparatus can be shortened and the ejection pressure is reduced. The reference gas can be supplied at a constant ejection pressure so as to be uniform without pulsation.

また、本発明に係る酸素濃度測定装置は、前記基準ガスを取り入れる開口部にフィルタを備えることが好ましい。   Moreover, it is preferable that the oxygen concentration measuring apparatus according to the present invention includes a filter in an opening for taking in the reference gas.

上記構成では、基準ガスを取り入れる開口部にフィルタを備えるので、フィルタにより基準ガスとして取り入れる外気に含まれる粉塵等のゴミを排除することができ、圧電素子等へのゴミの付着による機能低下を未然に防止することが可能となる。   In the above configuration, since the filter is provided in the opening for taking in the reference gas, dust such as dust contained in the outside air taken in as the reference gas can be eliminated by the filter, and deterioration in function due to the adhesion of dust to the piezoelectric element or the like can be prevented. Can be prevented.

上記構成によれば、電気信号に応じて振動する振動子を有する基準ガス供給部が基準ガスを供給する供給口に連結され、振動子の電気信号に応じた振動により基準ガスを供給するので、センサ部の外部に基準ガスを供給するためのポンプ、ボンベ、配管等を設置するスペースを必要とせず、基準ガスの供給量を振動子の振動数により制御することができるので、振動子を振動させる電流又は電圧を制御することにより基準ガスの供給量を高い精度で制御することが可能となる。   According to the above configuration, the reference gas supply unit having the vibrator that vibrates in accordance with the electric signal is connected to the supply port that supplies the reference gas, and the reference gas is supplied by the vibration in accordance with the electric signal of the vibrator. No need for a space to install a pump, cylinder, piping, etc. for supplying the reference gas to the outside of the sensor unit, and the reference gas supply amount can be controlled by the vibration frequency of the vibrator. By controlling the current or voltage to be supplied, the supply amount of the reference gas can be controlled with high accuracy.

本発明の実施の形態に係る酸素濃度測定装置の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the oxygen concentration measuring apparatus which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係る酸素濃度測定装置の先端部分の構成を示す部分断面図である。It is a fragmentary sectional view which shows the structure of the front-end | tip part of the oxygen concentration measuring apparatus which concerns on embodiment of this invention. ジルコニア素子で発生する起電力と測定ガスの酸素濃度との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the electromotive force which generate | occur | produces in a zirconia element, and the oxygen concentration of measurement gas. 本発明の実施の形態に係る酸素濃度測定装置の基準ガス供給部の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the reference gas supply part of the oxygen concentration measuring apparatus which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係る酸素濃度測定装置の基準ガス供給部の構成を示す縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view which shows the structure of the reference | standard gas supply part of the oxygen concentration measuring apparatus which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係る酸素濃度測定装置の基準ガス供給部の基準ガス噴出口近傍の拡大断面図である。It is an expanded sectional view near the reference gas jet outlet of the reference gas supply part of the oxygen concentration measuring device concerning an embodiment of the invention.

以下、本発明の実施の形態に係る酸素濃度測定装置について、図面に基づいて具体的に説明する。   Hereinafter, an oxygen concentration measuring apparatus according to an embodiment of the present invention will be specifically described with reference to the drawings.

図1は、本発明の実施の形態に係る酸素濃度測定装置の構成を示す断面図である。本実施の形態に係る酸素濃度測定装置1は、酸素濃度を測定する基準となる基準ガスが流入する円筒状のアルミナ管(基準ガス流入管)13の一端(先端)に、ジルコニア素子12を含む酸素センサ部10を備えている。アルミナ管13の他端には、基準ガスを流入する基準ガス流入口(供給口)2を備えている。また、アルミナ管13を内挿するアルミナ管(基準ガス流出管)20を備えており、アルミナ管13とアルミナ管20との間の空間を基準ガス流出経路として機能させている。   FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of an oxygen concentration measuring apparatus according to an embodiment of the present invention. The oxygen concentration measuring apparatus 1 according to the present embodiment includes a zirconia element 12 at one end (tip) of a cylindrical alumina tube (reference gas inflow tube) 13 into which a reference gas serving as a reference for measuring the oxygen concentration flows. An oxygen sensor unit 10 is provided. The other end of the alumina tube 13 is provided with a reference gas inlet (supply port) 2 through which a reference gas flows. Further, an alumina pipe (reference gas outflow pipe) 20 for interposing the alumina pipe 13 is provided, and the space between the alumina pipe 13 and the alumina pipe 20 functions as a reference gas outflow path.

図2は、本発明の実施の形態に係る酸素濃度測定装置1の先端部分の構成を示す部分断面図である。図2に示すように、本実施の形態に係る酸素濃度測定装置1は、ジルコニア素子12を含む酸素センサ部10を一端に備えたアルミナ管13が、アルミナ管20を内挿する保護管19に収納されている。ジルコニア素子12は、アルミナ管13内部を流れる基準ガスと接触する側において内部電極16と、酸素濃度の測定対象となる測定ガスと接触する側において外部電極17とに、それぞれ接続されている。   FIG. 2 is a partial cross-sectional view showing the configuration of the distal end portion of the oxygen concentration measuring apparatus 1 according to the embodiment of the present invention. As shown in FIG. 2, in the oxygen concentration measuring apparatus 1 according to the present embodiment, an alumina tube 13 provided with an oxygen sensor unit 10 including a zirconia element 12 at one end is provided as a protective tube 19 into which an alumina tube 20 is inserted. It is stored. The zirconia element 12 is connected to the internal electrode 16 on the side in contact with the reference gas flowing inside the alumina tube 13 and the external electrode 17 on the side in contact with the measurement gas to be measured for oxygen concentration.

また、白金電極15が外部電極17に、白金電極14が内部電極16に、それぞれ接続されている。なお、ジルコニア素子12は、外部電極17及び内部電極16と一体化して形成されている。内部電極16は、例えばジルコニア素子12の基準ガスと接触する側に白金ペーストを塗布しておき、白金電極14を後述するセンサ保持部材で押しつけた状態で焼き付けることにより形成される。   The platinum electrode 15 is connected to the external electrode 17, and the platinum electrode 14 is connected to the internal electrode 16. The zirconia element 12 is formed integrally with the external electrode 17 and the internal electrode 16. The internal electrode 16 is formed, for example, by applying a platinum paste on the side of the zirconia element 12 that contacts the reference gas and baking the platinum electrode 14 while pressing it with a sensor holding member to be described later.

ジルコニア素子12は、一定の高温環境下では、酸素濃度が高い方から低い方へ電荷が移動するという性質を有している。したがって、電荷の移動によりジルコニア素子12に発生する起電力を、内部電極16と外部電極17との電位差として測定することにより、測定ガスの酸素濃度を測定することができる。   The zirconia element 12 has a property that charges move from a higher oxygen concentration to a lower oxygen concentration under a constant high temperature environment. Therefore, the oxygen concentration of the measurement gas can be measured by measuring the electromotive force generated in the zirconia element 12 due to the movement of electric charge as the potential difference between the internal electrode 16 and the external electrode 17.

つまり、基準ガスの酸素濃度をPR (%)、測定ガスの酸素濃度をPM (%)とした場合、(式1)のネルンストの式が成立する。 That is, when the oxygen concentration of the reference gas is P R (%) and the oxygen concentration of the measurement gas is P M (%), the Nernst equation of (Equation 1) holds.

Figure 2015004645
Figure 2015004645

本実施の形態では、ジルコニア素子12において、酸素濃度の高い側では酸素イオンが発生し、低い側では酸素イオンから酸素が発生するという、イオン電導が生じる。イオン電導の化学反応式は、(式2)のように表すことができる。   In the present embodiment, in the zirconia element 12, ion conduction occurs in which oxygen ions are generated on the high oxygen concentration side and oxygen is generated from the oxygen ions on the low oxygen concentration side. The chemical reaction formula of ion conduction can be expressed as (Formula 2).

Figure 2015004645
Figure 2015004645

したがって、(式1)における「反応に含まれる電子数n」は、‘4’となる。   Therefore, “the number of electrons n included in the reaction” in (Formula 1) is “4”.

基準ガスの酸素濃度PR は既知であることから、ジルコニア素子12で発生する起電力Eを測定することにより、測定ガスの酸素濃度PM を(式1)から算出することができる。図3は、ジルコニア素子12で発生する起電力Eと測定ガスの酸素濃度PM との関係を示すグラフである。図3に示すように、酸素濃度PM は起電力Eの対数関数値として変動していることがわかる。したがって、ジルコニア素子12で発生する起電力Eを測定することにより、測定ガスの酸素濃度PM を求めることができる。 Since the oxygen concentration P R of the reference gas is known, by measuring the electromotive force E generated by the zirconia element 12, it is possible to calculate the oxygen concentration P M of the measuring gas (Equation 1). FIG. 3 is a graph showing the relationship between the electromotive force E generated in the zirconia element 12 and the oxygen concentration P M of the measurement gas. As shown in FIG. 3, the oxygen concentration P M is seen to vary as a logarithmic function value of the electromotive force E. Thus, by measuring the electromotive force E generated by the zirconia element 12, it is possible to determine the oxygen concentration P M of the measuring gas.

なお、(式1)に示すネルンストの式からもわかるように、起電力Eは、周囲の雰囲気の温度(絶対温度)Tによって変動する。そこで、熱電対18を用いた熱電対温度測定部により基準ガスの温度(絶対温度)Tを測定しておくことにより、ネルンストの式から正しい起電力Eを求めることができ、より正確に測定ガスの酸素濃度PM を求めることができる。 As can be seen from the Nernst equation shown in (Equation 1), the electromotive force E varies depending on the temperature (absolute temperature) T of the surrounding atmosphere. Therefore, by measuring the temperature (absolute temperature) T of the reference gas by the thermocouple temperature measurement unit using the thermocouple 18, the correct electromotive force E can be obtained from the Nernst equation, and the measurement gas can be measured more accurately. it is possible to determine the oxygen concentration P M.

図2に戻って、本実施の形態に係る酸素濃度測定装置1は、アルミナ管13の一端に、円柱状の第1のセンサ保持部材31と、第1のセンサ保持部材31と嵌め合わせることが可能な、ジルコニア素子12を保持する円柱状の第2のセンサ保持部材32とを備えている。第1のセンサ保持部材31は中空であり、アルミナ管13と連結することにより基準ガスを流入させる。第2のセンサ保持部材32は、中実であるとともに、第1のセンサ保持部材31と第2のセンサ保持部材32との間に形成される空間に基準ガスが流入する。第1のセンサ保持部材31と第2のセンサ保持部材32との間の空間に流入した基準ガスは、第1のセンサ保持部材31と第2のセンサ保持部材32とを嵌め合わせたときに生じる隙間から、アルミナ管13とアルミナ管20との間の基準ガス流出経路61を経て、外部へと流出する。   Returning to FIG. 2, the oxygen concentration measuring apparatus 1 according to the present embodiment can be fitted to the cylindrical first sensor holding member 31 and the first sensor holding member 31 at one end of the alumina tube 13. And a columnar second sensor holding member 32 that holds the zirconia element 12. The first sensor holding member 31 is hollow and allows the reference gas to flow by being connected to the alumina tube 13. The second sensor holding member 32 is solid, and the reference gas flows into a space formed between the first sensor holding member 31 and the second sensor holding member 32. The reference gas that flows into the space between the first sensor holding member 31 and the second sensor holding member 32 is generated when the first sensor holding member 31 and the second sensor holding member 32 are fitted together. From the gap, it flows out to the outside through the reference gas outflow path 61 between the alumina tube 13 and the alumina tube 20.

なお、アルミナ管13の先端に備える第1のセンサ保持部材31はアルミナ系の材料で形成されており、第1のセンサ保持部材31と嵌め合わせる第2のセンサ保持部材32も、アルミナ系の材料で形成されている。熱電対18は、アルミナ管13及び第1のセンサ保持部材31の内部を貫通する穴部に挿通されている。   The first sensor holding member 31 provided at the tip of the alumina tube 13 is made of an alumina-based material, and the second sensor holding member 32 fitted to the first sensor holding member 31 is also an alumina-based material. It is formed with. The thermocouple 18 is inserted through a hole that penetrates the alumina tube 13 and the first sensor holding member 31.

図1に戻って、本実施の形態に係る酸素濃度測定装置1は、基準ガスを供給する基準ガス流入口(供給口)2を連通チューブ42により基準ガス噴出口45と連結する。そして、基準ガス噴出口45に、電気信号に応じて振動する振動子を有する基準ガス供給部41を備えている。   Returning to FIG. 1, in the oxygen concentration measuring apparatus 1 according to the present embodiment, a reference gas inlet (supply port) 2 for supplying a reference gas is connected to a reference gas outlet 45 by a communication tube 42. The reference gas outlet 45 includes a reference gas supply unit 41 having a vibrator that vibrates in accordance with an electrical signal.

振動子は、基準ガスを供給するべく電気信号に応じて振動することができれば特に限定されるものではない。しかし、できるだけ装置全体を小型化することが好ましいことは言うまでもない。そこで、本実施の形態では、振動子として平板状の圧電素子を用い、電気信号に応じて圧電素子を振動させることにより、基準ガスを供給する。圧電素子を用いることで、ポンプ等を用いる場合に比べて騒音が小さく、しかも少ない消費電力で基準ガスを供給することができる。   The vibrator is not particularly limited as long as it can vibrate according to an electric signal to supply the reference gas. However, it goes without saying that it is preferable to make the entire apparatus as small as possible. Therefore, in this embodiment, a flat plate piezoelectric element is used as the vibrator, and the reference gas is supplied by vibrating the piezoelectric element in accordance with an electric signal. By using the piezoelectric element, it is possible to supply the reference gas with less noise and less power consumption than when using a pump or the like.

図4は、本発明の実施の形態に係る酸素濃度測定装置1の基準ガス供給部41の構成を示す断面図であり、図5は、本発明の実施の形態に係る酸素濃度測定装置1の基準ガス供給部41の構成を示す縦断面図である。図4に示すように、基準ガス供給部41は、内ケース50と、内ケース50を所定の隙間を空けて非接触に覆う外ケース51とを備えている。   FIG. 4 is a cross-sectional view showing the configuration of the reference gas supply unit 41 of the oxygen concentration measuring apparatus 1 according to the embodiment of the present invention, and FIG. 5 shows the configuration of the oxygen concentration measuring apparatus 1 according to the embodiment of the present invention. 4 is a longitudinal sectional view showing a configuration of a reference gas supply unit 41. FIG. As shown in FIG. 4, the reference gas supply unit 41 includes an inner case 50 and an outer case 51 that covers the inner case 50 in a non-contact manner with a predetermined gap.

より具体的には、外ケース51は、下方が開口した円筒形状の空洞を有しており、外ケース51に円筒形の内ケース50が所定の隙間を空けて収容されている。内ケース50はばね連結部52を介して外ケース51に弾性的に支持されている。ばね連結部52は、内ケース50の外周面と外ケース51の内周面との間に周方向に一定の間隔で複数個(図4では4個)設けられている。   More specifically, the outer case 51 has a cylindrical cavity that opens downward, and the cylindrical inner case 50 is accommodated in the outer case 51 with a predetermined gap. The inner case 50 is elastically supported by the outer case 51 via a spring connecting portion 52. A plurality (four in FIG. 4) of spring connecting portions 52 are provided at regular intervals in the circumferential direction between the outer peripheral surface of the inner case 50 and the inner peripheral surface of the outer case 51.

ばね連結部52は板ばね等のばね部材で構成され、図5に示す板状の振動子53の振動方向のばね弾性が低く、板状の振動子53の振動方向と垂直な方向のばね弾性が高くなるように設置されている。そのため、板状の振動子53の共振駆動(振動)に伴って内ケース50が板状の振動子53の振動方向に振動した場合であっても、その振動が外ケース51に及ぶことを抑制することができる。また、内ケース50と外ケース51との間には、基準ガス(外気)の流入通路56が形成されている。   The spring connecting portion 52 is configured by a spring member such as a plate spring, and the spring elasticity in the vibration direction of the plate-like vibrator 53 shown in FIG. 5 is low, and the spring elasticity in the direction perpendicular to the vibration direction of the plate-like vibrator 53 is shown. Is installed to be high. Therefore, even when the inner case 50 vibrates in the vibration direction of the plate-like vibrator 53 with the resonance drive (vibration) of the plate-like vibrator 53, the vibration is prevented from reaching the outer case 51. can do. In addition, a reference gas (outside air) inflow passage 56 is formed between the inner case 50 and the outer case 51.

内ケース50は、下方が開口しており、内ケース50の開口を閉じるように板状の振動子53が配置され、内ケース50と板状の振動子53との間に、第1ブロア室57が形成されている。   The inner case 50 is open at the bottom, and a plate-like vibrator 53 is disposed so as to close the opening of the inner case 50, and the first blower chamber is disposed between the inner case 50 and the plate-like vibrator 53. 57 is formed.

本実施の形態に係る板状の振動子53は、圧電セラミックスで形成された圧電素子53aを、薄肉な弾性金属板で形成されたダイヤフラム53bの中央部に張り付けたユニモルフ構造を有している。圧電素子53aに所定周波数の電圧を印加することにより、板状の振動子53全体が共振駆動する。本実施の形態では、圧電素子53aは、ダイヤフラム53bの、第1ブロア室57が形成されている側と反対側の面に張り付けられている。   The plate-like vibrator 53 according to the present embodiment has a unimorph structure in which a piezoelectric element 53a formed of piezoelectric ceramics is attached to a central portion of a diaphragm 53b formed of a thin elastic metal plate. By applying a voltage of a predetermined frequency to the piezoelectric element 53a, the entire plate-like vibrator 53 is driven to resonate. In the present embodiment, the piezoelectric element 53a is attached to the surface of the diaphragm 53b opposite to the side where the first blower chamber 57 is formed.

このように、板状の振動子53は、図1に示すように基準ガス流入口(供給口)2から装置内部へ基準ガスを供給する方向と直交して配置され、基準ガスを供給する方向に沿って振動するので、装置全体の長さを短くすることができる。また、所定の高周波電圧を印加すれば足りるので、ポンプ使用時のように噴出圧力が脈動することなく、均一となるように一定の噴出圧力で基準ガスを供給することができる。   In this way, the plate-like vibrator 53 is arranged orthogonal to the direction in which the reference gas is supplied from the reference gas inlet (supply port) 2 to the inside of the apparatus as shown in FIG. Therefore, the overall length of the apparatus can be shortened. Further, since it is sufficient to apply a predetermined high-frequency voltage, the reference gas can be supplied at a constant ejection pressure so that the ejection pressure does not pulsate as in the case of using the pump, and becomes uniform.

内ケース50を形成する壁面のうち、板状の振動子53と対向する第1壁部50aは、第1ブロア室57の上壁部でもある。そこで、第1壁部50aをダイヤフラム53bと同様、薄肉な弾性金属板で形成し、板状の振動子53を所定のモードで共振駆動させた場合、それに伴って第1壁部50aを励振させるように構成することが好ましい。このような構成とすることにより、噴出される基準ガスの流量を飛躍的に増大させることができるからである。また、第1壁部50aとばね連結部52とを同一部材で形成しても良い。   Of the wall surfaces forming the inner case 50, the first wall portion 50 a facing the plate-like vibrator 53 is also the upper wall portion of the first blower chamber 57. Therefore, when the first wall 50a is formed of a thin elastic metal plate like the diaphragm 53b, and the plate-like vibrator 53 is driven to resonate in a predetermined mode, the first wall 50a is excited accordingly. It is preferable to configure as described above. This is because by adopting such a configuration, the flow rate of the reference gas to be ejected can be dramatically increased. Moreover, you may form the 1st wall part 50a and the spring connection part 52 with the same member.

第1壁部50aの中央部には、第1ブロア室57の内部と外部とを連通させる第1開口部50bが形成されている。第1壁部50aと対向する外ケース51の第2壁部51bの中央部、すなわち第1開口部50bと対向する位置には、第2開口部51cが形成されている。第2開口部51cは、板状の振動子53の振動により基準ガスが噴出する噴出口となる。また、第1壁部50aと第2壁部51bとの間には所定の流入空間56aが形成されている。流入空間56aは、流入通路56から流入した基準ガスを、第1開口部50b及び第2開口部51cの近傍まで誘導する。   A first opening 50b that connects the inside and the outside of the first blower chamber 57 is formed at the center of the first wall 50a. A second opening 51c is formed at the center of the second wall 51b of the outer case 51 facing the first wall 50a, that is, at a position facing the first opening 50b. The second opening 51 c serves as a jet outlet from which the reference gas is jetted by the vibration of the plate-like vibrator 53. A predetermined inflow space 56a is formed between the first wall 50a and the second wall 51b. The inflow space 56a guides the reference gas flowing in from the inflow passage 56 to the vicinity of the first opening 50b and the second opening 51c.

外ケース51の下方には、外ケース51の開口を閉じるように第3壁部62が配置されている。第3壁部62の中央部には、外部と第2ブロア室60とを連通させる第3開口部62aが形成されている。第2ブロア室60の容積及び第3開口部62aの開口面積は、板状の振動子53の振動に伴って疑似的な共振空間を形成できるように設定されている。第2ブロア室60と流入通路56とは連通されているので、第3開口部62aから第2ブロア室60に流入した基準ガスは、流入通路56を通って流入空間56aへと流入する。   A third wall portion 62 is disposed below the outer case 51 so as to close the opening of the outer case 51. A third opening 62 a that communicates the outside with the second blower chamber 60 is formed at the center of the third wall 62. The volume of the second blower chamber 60 and the opening area of the third opening 62 a are set so that a pseudo resonance space can be formed with the vibration of the plate-like vibrator 53. Since the second blower chamber 60 and the inflow passage 56 are in communication with each other, the reference gas that has flowed into the second blower chamber 60 from the third opening 62 a flows into the inflow space 56 a through the inflow passage 56.

ここで、上述した構成の基準ガス供給部41の動作について説明する。圧電素子53aに所定周波数の交流電圧を印加した場合、板状の振動子53が1次共振モード又は3次共振モードで共振駆動し、第1ブロア室57の容積が周期的に変化する。第1ブロア室57の容積が増大した場合、流入空間56a内の基準ガスが第1開口部50bから第1ブロア室57へと吸い込まれ、逆に第1ブロア室57の容積が減少した場合、第1ブロア室57内の基準ガスが第1開口部50bから流入空間56aへと排出される。   Here, the operation of the reference gas supply unit 41 configured as described above will be described. When an alternating voltage of a predetermined frequency is applied to the piezoelectric element 53a, the plate-like vibrator 53 is driven to resonate in the primary resonance mode or the tertiary resonance mode, and the volume of the first blower chamber 57 changes periodically. When the volume of the first blower chamber 57 increases, the reference gas in the inflow space 56a is sucked into the first blower chamber 57 from the first opening 50b, and conversely, the volume of the first blower chamber 57 decreases. The reference gas in the first blower chamber 57 is discharged from the first opening 50b to the inflow space 56a.

板状の振動子53は高周波で共振駆動されるため、第1開口部50bから流入空間56aへと排出される基準ガスの気流は、高速であり、高エネルギーを有するので、流入空間56aを通過して第2開口部51cから噴出される。このとき、流入空間56a内の基準ガスを巻き込みながら噴出するので、流入通路56から流入空間56aへと向かう連続した気流が生じ、基準ガスは第2開口部51cから連続的に噴出する。特に、板状の振動子53を所定のモードで共振駆動させた場合、それに伴って第1壁部50aを励振させることで、噴出される基準ガスの流量を飛躍的に増大させることができる。   Since the plate-like vibrator 53 is driven to resonate at a high frequency, the air flow of the reference gas discharged from the first opening 50b to the inflow space 56a is high speed and has high energy, and thus passes through the inflow space 56a. Then, it is ejected from the second opening 51c. At this time, since the reference gas in the inflow space 56a is ejected while being involved, a continuous air flow from the inflow passage 56 toward the inflow space 56a is generated, and the reference gas is continuously ejected from the second opening 51c. In particular, when the plate-like vibrator 53 is driven to resonate in a predetermined mode, the flow rate of the jetted reference gas can be dramatically increased by exciting the first wall portion 50a accordingly.

図6は、本発明の実施の形態に係る酸素濃度測定装置1の基準ガス供給部41の基準ガス噴出口45近傍の拡大断面図である。図6に示すように、第1開口部50bの口径を第2開口部51cの口径よりも小さくしてある。したがって、第1ブロア室57側へ流入する基準ガスの流入速度の方が、第2開口部51cへ流出する基準ガスの流入速度よりも速くなるので、中央空間56b近傍では負圧が発生する。これにより、流入空間56a内の基準ガスは中央空間56b側へ吸引されるため、より高い圧力で第2開口部51c(基準ガス噴出口45)から基準ガスを噴出することが可能となる。   FIG. 6 is an enlarged cross-sectional view of the vicinity of the reference gas outlet 45 of the reference gas supply unit 41 of the oxygen concentration measurement apparatus 1 according to the embodiment of the present invention. As shown in FIG. 6, the diameter of the first opening 50b is smaller than the diameter of the second opening 51c. Therefore, since the inflow speed of the reference gas flowing into the first blower chamber 57 side becomes faster than the inflow speed of the reference gas flowing out into the second opening 51c, a negative pressure is generated in the vicinity of the central space 56b. Thereby, since the reference gas in the inflow space 56a is sucked to the central space 56b side, the reference gas can be ejected from the second opening 51c (reference gas outlet 45) at a higher pressure.

以上のように本実施の形態によれば、電気信号(交流電流又は交流電圧)に応じて振動する板状の振動子53を有する基準ガス供給部41を、基準ガスを供給する基準ガス流入口2に直結させて備えているので、センサ部の外部に基準ガスを供給するためのポンプ、ボンベ、配管等を設置するスペースを必要とせず、基準ガスの供給量を板状の振動子53の振動数により制御することができるので、板状の振動子53を振動させる交流電流又は交流電圧を制御することにより基準ガスの供給量を高い精度で制御することが可能となる。   As described above, according to the present embodiment, the reference gas supply port 41 that supplies the reference gas to the reference gas supply unit 41 having the plate-like vibrator 53 that vibrates in accordance with the electrical signal (alternating current or alternating voltage) is used. 2 is directly connected to the sensor unit, so that a space for installing a pump, a cylinder, piping and the like for supplying the reference gas to the outside of the sensor unit is not required, and the reference gas supply amount of the plate-like vibrator 53 is reduced. Since it can be controlled by the frequency, the supply amount of the reference gas can be controlled with high accuracy by controlling the alternating current or the alternating voltage that vibrates the plate-like vibrator 53.

なお、基準ガス供給部41の第3開口部62aは、直接外部へ露出していても良いが、粉塵等のゴミが基準ガス供給部41内に吸引されるおそれがある。そこで、本実施の形態では、図1に示すように、ケーシング43の内壁部43aに基準ガス供給部41を、外壁部43bに外気導入開口部(取り入れ口)43cを備え、外気導入開口部43cにフィルタ44を備えている。   The third opening 62a of the reference gas supply unit 41 may be directly exposed to the outside, but dust such as dust may be sucked into the reference gas supply unit 41. Therefore, in the present embodiment, as shown in FIG. 1, the reference wall gas supply unit 41 is provided on the inner wall 43a of the casing 43, and the outside air introduction opening (intake port) 43c is provided on the outer wall 43b, and the outside air introduction opening 43c. A filter 44 is provided.

基準ガスとして取り入れる外気に含まれる粉塵等のゴミをフィルタ44で排除することができるので、圧電素子53a等へのゴミの付着による機能低下を未然に防止することが可能となる。   Since dust such as dust contained in the outside air taken in as the reference gas can be removed by the filter 44, it is possible to prevent deterioration of the function due to adhesion of dust to the piezoelectric element 53a and the like.

その他、上述した実施の形態は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更することができることは言うまでもない。   In addition, it goes without saying that the embodiment described above can be changed without departing from the spirit of the present invention.

1 酸素濃度測定装置
2 基準ガス流入口(供給口)
10 酸素センサ部
12 ジルコニア素子
13 アルミナ管(基準ガス流入管)
16 内部電極
17 外部電極
41 基準ガス供給部
43c 外気導入開口部(取り入れ口)
44 フィルタ
53 振動子
53a 圧電素子
53b ダイヤフラム
1 Oxygen concentration measuring device 2 Reference gas inlet (supply port)
10 Oxygen sensor section 12 Zirconia element 13 Alumina pipe (reference gas inflow pipe)
16 Internal electrode 17 External electrode 41 Reference gas supply part 43c Open air introduction opening (intake)
44 Filter 53 Vibrator 53a Piezoelectric Element 53b Diaphragm

Claims (4)

測定対象となる測定ガスと接触する側において外部電極と、基準ガスと接触する側において内部電極と、それぞれ接続され、前記測定ガスの酸素濃度と前記基準ガスの酸素濃度との差に応じて起電力を発生するジルコニア素子を有し、発生する起電力の大きさに応じて酸素濃度を測定する酸素濃度測定装置において、
電気信号に応じて振動する振動子を有する基準ガス供給部を備え、
該基準ガス供給部は、前記基準ガスを装置内部へ供給する供給口に連結され、前記振動子の電気信号に応じた振動により前記基準ガスを供給することを特徴とする酸素濃度測定装置。
An external electrode is connected on the side in contact with the measurement gas to be measured, and an internal electrode is connected on the side in contact with the reference gas, and is generated according to the difference between the oxygen concentration of the measurement gas and the oxygen concentration of the reference gas. In an oxygen concentration measurement device that has a zirconia element that generates electric power and measures the oxygen concentration according to the magnitude of the generated electromotive force,
A reference gas supply unit having a vibrator that vibrates in response to an electrical signal,
The reference gas supply unit is connected to a supply port for supplying the reference gas to the inside of the apparatus, and supplies the reference gas by vibration according to an electric signal of the vibrator.
前記基準ガス供給部は、前記振動子として圧電素子を用いることを特徴とする請求項1に記載の酸素濃度測定装置。   The oxygen concentration measuring apparatus according to claim 1, wherein the reference gas supply unit uses a piezoelectric element as the vibrator. 前記圧電素子は、前記基準ガスを供給する方向と直交して配置され、前記基準ガスを供給する方向に沿って振動することを特徴とする請求項2に記載の酸素濃度測定装置。   The oxygen concentration measuring apparatus according to claim 2, wherein the piezoelectric element is disposed orthogonal to a direction in which the reference gas is supplied, and vibrates along the direction in which the reference gas is supplied. 前記基準ガスを取り入れる開口部にフィルタを備えることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載の酸素濃度測定装置。   The oxygen concentration measuring device according to any one of claims 1 to 3, wherein a filter is provided in an opening for taking in the reference gas.
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